零距離科學:無腦袋生物沒法思考,這是真的嗎?

零距離科學:無腦袋生物沒法思考,這是真的嗎?
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一種貌似外星怪物的生物——多頭絨泡菌(Physarum polycephalum)——可能會叫我們重新思考「能思考的無腦袋生物」 的意思。

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文:盧駿揚 (香港中文大學通識教育基礎課程講師)

圖:香港電台

「你這個能思考的無腦袋生物」──在《嘩眾取寵》棟篤笑中,黃子華曾以此句惹得眾人哄堂大笑。它之所以惹人發笑,是因為我們都認為無腦袋生物根本就沒法子思考。但事實是否這樣呢?一種貌似外星怪物的生物——多頭絨泡菌(physarum polycephalum)——可能會叫我們重新思考「能思考的無腦袋生物」 的意思。本集《零距離科學》就是跟大家介紹這奇特生命。

多頭絨泡菌是一種粘菌。它不喜歡光,喜歡在潮濕陰暗的地方生長。它有著鮮黃色的色澤,而且形態萬千──有時像鬆厚的班戟,有時像錯綜複雜的血管系统。它沒有腳,但懂得移動;沒有眼與鼻,卻能尋找食物;沒有口,但胃口非常大;沒有神經系统,卻似乎能解決問題。令人驚訝的是,多頭絨泡菌雖然是如此複雜,但我們眼前所見的黃色生物,竟然全是由一個細胞所構成。亦即是說,它的整個身體就是一整個細胞。這龐大的細胞內蘊藏著無數的細胞核,而細胞膜也會隨著細胞生長而不斷變形擴張。

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多頭絨泡菌是單細胞生物。它的細胞內充滿著管道,讓資源得以傳遞至細胞各處。

多頭絨泡菌是非常「識食」的。它不單懂得「搵食」,也並不偏食,而且從它尋索食物的過程中,科學家發覺它似乎擁有解難的能力。多頭絨泡菌是如何尋找食物的呢? 雖然它不能靠腳走路,它卻能改變細胞的形狀,伸出名為偽足(pseudopod)的結構。這些結構像觸手一樣向外伸展探索,移動速度可達每小時數厘米。在找到食物後,細胞的一部份就會停留在該處吸取養份,其他部份則繼續向外探索。多頭絨泡菌不單止努力不懈的擴張領土、尋找資源,它也沒有忘記了物流的考慮。多頭絨泡菌會在細胞內架起「高速公路」──一些用來運輸原生質(protoplasm)的管道系统,讓它把資源分配到細胞的不同角落。

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頭絨泡菌喜歡陰暗濕的環境,它們會在腐木或其他菌類上尋找食物。

多頭絨泡菌非常看重均衡飲食,它需要足夠及適當比例的蛋白質與碳水化合物才能生長得好。在2010年刊登在《美國國家科學院院刊》(PNAS)的論文中,研究團隊發覺多頭絨泡菌最喜歡兩份蛋白一份碳水化合物比例的食物。當兩份食物放在它眼前,一份擁有完美比例,另一份是以其他比例製作,它只會揀選最完美的食物。但更奇妙的是當團隊把數份不完美比例的食物放在它面前時,它竟然仿佛懂算術一般,自行選擇出兩種能混合成完美比例的食物,再把兩者連在一起。

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多頭絨泡菌懂得結合不同的食物,以致令它得到完美比例的營養。

其實早於2000年, 一位日本科學家已發現多頭絨泡菌會把置於不同地方的食物連在一起。而有趣的事,從中我們可發現它擁有解難的能力。中垣俊之教授(Toshiyuki Nakagaki)一直對多頭絨泡菌非常感興趣。在2000年,他在著名的《自然》雜誌刊登了一個有趣的發現。那篇文章名為《Maze-solving by an amoeboid organism》,顧名思義就是多頭絨泡菌擁有解開謎宮難題的能力。實驗是這樣做的:研究團隊先設計一個謎宮,在謎宮兩處放置食物。當多頭絨泡菌被放在謎宮裡時,它會先四處伸展尋找,待它發現兩處食物的位置後,它就會把多餘的細胞管道刪走,在謎宮內形成兩點之間的最短路徑。

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它也能解關謎宮難題;經探索後,它會以最短距離把兩點連在一起。

十年後,中垣俊之教授更帶領著團隊在《科學》雜誌上發表了另一份重要的研究。這份報告對外行人來說也是非常有趣的,因為研究顯示出,多頭絨泡菌似乎竟然有著日本鐵路工程師的頭腦。東京的鐵路系统把區內不同城市連繫,而工程師是在效益最大化的考量下思考如何把網絡舖設得最好。中垣俊之教授不知從哪裡來的靈感,竟然想看看多頭絨泡菌能否創造出同樣的網絡。他照著東京都不同城市的地理位置製成地圖,在相應的地方放置食物,再把多頭絨泡菌放進去看看會發生甚麼事。結果是令人嘖嘖驚奇的,因為多頭絨泡菌經擴展、尋找以及刪去不必要的通道後,所得出的網絡竟然跟東京的鐵路網絡差不多。這項研究似乎再次顯出多頭絨泡菌雖然沒有頭腦,它卻能有效地解難,得出工程師經思考而得的結果。

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中垣俊之教授發現多頭絨泡菌竟然能重構出像東京鐵路系统的結構。

除了解難外,多頭絨泡菌似乎也擁有記憶。法國科學家Audrey Dussutour團隊發現多頭絨泡菌會在所到之處留下粘液,這些粘液能夠成為它的「記憶」,指示它不要重新踏足那一片探索過的土地。此外,似乎多頭絨泡菌也能夠「學習」。實驗顯示出它有習慣化(habituation)的能力。多頭絨泡菌效並不喜歡咖啡因,但當科學家讓它不斷接觸咖啡因時,它便會慢慢習慣並且接受咖啡因。不單如此,當團隊把經過學習的多頭絨泡菌放在另一個未經學習的多頭絨泡菌旁邊,當兩者經細胞融合後,那未經學習的部份竟也會得到另一部份的記憶。

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當兩種多頭絨泡菌被放在一起時,它們會經細胞融合而合而為一。細胞的「記憶」也會藉融合而傳遞。

這些研究均顯出多頭絨泡菌是一種特別的生命。它並沒有神經系统,連一顆神經原都沒有。它只是一個簡單的單細胞生物,卻似乎擁有處理資訊的複雜能力。還記得諾獎得獎者埃里克·坎德爾(Eric Kandel)正是靠海蝸牛這種簡單的生命體解開了不少有關高等生物記憶能力之謎;那多頭絨泡菌又會否讓科學家進一步窺探我們大腦的思考與記憶能力呢?

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於2月14日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex