許多微生物能夠在液體中進行有目的的運動。但它們是如何在沒有復雜神經系統的情況下做到這一點的呢？來自維也納工業大學（TU Wien）的新研究提供了耐人尋味的見解。

細菌可以做到。變形蟲可以做到。甚至你的血細胞也能做到。所有這些微小的生命形式都擁有令人驚訝的能力，能有目的地穿過液體。更令人驚訝的是，它們在沒有大腦或任何中央控制系統的情況下就做到了這一點。

那么它們是如何做到的呢？來自維也納工業大學、維也納大學和塔夫茨大學的科學家們利用計算機模擬來尋找答案。他們的研究表明，簡單的結構只需遵循非常基本的規則，就能以協調、高效的方式游泳，無需中央指令。

這一發現不僅有助于解釋微生物如何運動，也為技術領域開啟了激動人心的可能性。想象一下，微小的納米機器人可以自主地在你的體內穿行，將藥物精確地輸送到需要的地方。

沒有中央控制系統也能成功

“簡單的微生物可以想象成由幾個部分組成，有點像一串珍珠，”當前發表物的主要作者、維也納工業大學理論物理研究所和塔夫茨大學艾倫探索中心的 Benedikt Hartl 說。“各個部分可以相對彼此移動。我們想知道：在什么情況下，這會導致整個生物體朝所需方向移動？”

如果有中央控制系統 —— 比如大腦或至少一個神經中樞 —— 這就相對簡單。這樣的中心可以向各個部分發出特定指令。很容易理解這如何導致協調的運動。

但單細胞生物體自然沒有神經細胞，沒有可以發出指令的中央處理系統。在這種情況下，協調的游泳運動是如何產生的呢？如果微生物的各個部分都按照非常簡單的規則行事，這能否產生導致高效游泳的集體行為？

計算機模擬微生物

這個問題通過計算機模擬進行了研究：微生物被建模為由相互連接的珠子組成的鏈條。這些珠子中的每一顆都可以向左或向右施加力，但每顆珠子只知道其緊鄰珠子的位置。它不了解生物體的整體狀態或更遠處的珠子。

“現在的關鍵問題是：是否存在一種控制系統、一套簡單的規則、一種行為策略，讓每顆珠子都能單獨遵循，從而在沒有中央控制單元的情況下產生集體游泳運動？” Benedikt Hartl 說。

Hartl 解釋說，在計算機上，單個珠子 —— 即虛擬微生物的模擬部分 —— 被賦予了一種非常簡單形式的人工智能，一個只有 20 到 50 個參數的微型神經網絡：“‘神經網絡’這個詞在這里可能有點誤導；當然，單細胞生物沒有神經元。但這種簡單的控制系統可以在細胞內實現，例如，通過非常簡單的物理-化學回路，導致微生物的特定區域執行特定運動。”

現在，這種簡單的分散控制系統被應用于計算機中，以尋找能產生最佳游泳行為的最有效的“控制代碼”。使用該控制系統的每個版本，都讓虛擬微生物在模擬的黏稠液體中游泳。

“我們能夠證明，這種極其簡單的方法足以產生高度魯棒的游泳行為，” Benedikt Hartl 說。“盡管我們的系統沒有中央控制，虛擬微生物的每個部分都按照非常簡單的規則行事，但總體結果卻產生了足以實現高效運動的復雜行為。”

生物學與技術

這個結果不僅有趣，因為它解釋了非常簡單的生物系統的復雜行為，它也可能對人工制造的納米機器人有意義：“這意味著，通過非常簡單的編程，也有可能創造出能夠執行復雜任務的人工結構，”Andreas Z?ttl（維也納大學）說。“例如，可以想象制造出能主動尋找水中石油污染并幫助清除的納米機器人。甚至是醫療納米機器人，它們能自主移動到體內的特定位置，以靶向方式釋放藥物。”

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