导语


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“复杂科学”？听起来就挺复杂的，但其实和你的生活息息相关。比如，蚁队如何找到更好的搬运食物路径？鸟群为什么能在高速飞行的同时，还能躲避攻击、不撞到彼此？这些都是复杂科学研究的问题。今天的这篇文章，我们就拿黏菌来举例子。你会发现，黏菌觅食时形成的输运网络，运输效率竟然堪比人类设计师设计的交通路网。

张江 | 作者

罗辑思维 | 来源



你好，欢迎来到我的《复杂科学前沿课》，我是张江。

复杂系统的灵活秩序性，能够展现出鸟群那样千变万化的、既有秩序又灵活的状态来。其实复杂系统的本事不只如此，它还能展现出更加丰富多彩，甚至令人瞠目结舌的本事。

比如说，蚁群就是复杂系统。我小时候特别喜欢观察蚂蚁，会在路上放一小块面包，等蚂蚁过来觅食。我发现，蚂蚁去搬食物的时候，会渐渐地形成一条弯弯曲曲的队伍。路上要是碰到了石头，蚂蚁们就会自动分成两队，绕过这块石头。

神奇的是，只要这两条路长度不一样，比较长的那条就会慢慢消失，蚂蚁们总会逐渐集中到比较短的路上去。好像蚁群总能知道哪条路离食物更近，这对单只蚂蚁来说，是不可能的。

你看，蚂蚁组合在一起，形成蚁群的时候，就能完成很多对单个蚂蚁来说不可能完成的任务。

在复杂科学里，我们把这种现象称为“涌现”，英文是Emergence，也叫突现，它的本意有“突然出现”的意思。

涌现现象还有很多其他的例子。

比如我们的大脑，它无非就是一大堆神经元，被另一大堆丝状的突触相互连接而成的网络，但是这个网络整体却能表现出高超的智慧，甚至具备了自我意识。

再比如人类社会的原始经济系统，经过长时间运行，都会涌现出一种充当“货币”的一般等价物，它们往往具有贵重、方便携带、容易分割的特性，金、银和贝壳都是这样。

你看，在自然界、人类社会，涌现现象无处不在。这种无处不在的现象是怎么产生的呢？

这一讲，我们就聚焦在涌现现象上，详细说说复杂系统里的涌现是怎么回事。


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也许你小时候也观察过很多次蚂蚁，不觉得它能找到最近的路有什么神奇的。但如果我说，有一种微生物，在它觅食的过程中，可以设计出日本东京附近城市的交通路网呢？

有人会说，这不可能。想想看，人类工程师要完成一个复杂路网的设计，都要经过很多年的培训。而且，东京市轨道交通系统的运输效率之高，在全世界大都市中都是典范。微生物怎么可能做到呢？我来详细跟你讲讲。

这种微生物叫黏菌。它在平时可不太招人喜欢，黏糊糊的，就像一大摊鼻涕。黏菌平时是作为一个整体生活的，但在饥饿的时候，会拆解成一个个单细胞生物。

这些单细胞生物叫阿米巴虫，它们每一个都可以独立出去觅食。一旦阿米巴虫找到了食物，它们就会修建起一条条管道，给其他伙伴输送食物。如果在好几个地方都找到了食物，那它们修建的管道就可以把各个食物点相互连通到一起，形成一个食物输运网络。

这个连通后的网络，运输食物的效率有多高？能和人类修建的现代交通网络相媲美。

2008年，日本东京大学的一个实验小组就利用黏菌进行了这样一个实验。

他们先把整个东京市以及周边的36个城市的地图，等比例地浓缩进了实验室的培养皿中，在东京附近的那些城市上，放上黏菌爱吃的食物。然后，他们把一摊黏糊糊的黏菌，放在东京市的位置上。紧接着，实验人员打开一个微缩摄像头，拍摄着培养皿，就这么放着不管了。

一天多过去了，当实验人员再次打开培养皿的时候，他们发现，一张完整的交通网络刚好把周围的几个城市，和中心的东京市连通到了一起。

摄像头忠实地记录了黏菌是怎么修建交通路网的。

在最初的8小时里，黏菌一直都在攻城略地，修建管道网络，触达越来越多的食物点。这个时候的网络又细又密，很像是我们的毛细血管。

但是，到了11个小时以后，黏菌开始优化这些管道网络了。大量的毛细血管管道消失，少数的管道变粗、变清晰。

26个小时后，这个网络基本定型。

黏菌优化食物运输网的过程

实验人员把这个网络输入到电脑中，计算这个黏菌网络在输运效率等方面的表现。他们发现，这个网络竟然毫不逊色于人类设计的现代东京交通网络！

要知道，每只阿米巴虫长度也就几十微米，整个管道网络的大小在几厘米甚至十几厘米的数量级，这差不多是一个足球和四个足球场的比例。小小阿米巴虫根本就无法感知到整个东京市地图的样子，就更别提计算最优的输运效率了。

黏菌是怎样完成这个任务的呢？

经过细致的研究，科学家已经找到了黏菌觅食背后的机制。

黏菌之所以能够对整个管道网络进行精炼、优化，秘密在于两点。

一个是管道端口的压力。黏菌的聚集会对管道的端口产生压力，这种压力会有节律地把食物一点点地挤压到管道之中，让它在管道中缓慢蠕动。

还有一点就是，黏菌修建的管道是一种类似于果冻的凝胶物质，它可以伸缩。

有了这两条机制，那我们想象一下，黏菌聚集越多，压力就越大，压力越大，食物的流量就越大，管道就会变粗。反过来，黏菌聚集少，压力小，食物流量越小，管道就会越细，甚至消失。

而如果连接一个食物源的管道有两条，但是一条管道长，一条管道短。那在同样的压力下，短的管道就会有更大的输运流量。更大的流量无疑又会进一步让管道更粗。就这样，那条起初稍微短一些的管道就会被撑得越来越宽。而那条较长一些的管道呢，会逐渐萎缩，甚至消失掉。

就这样，两条管道最初一点点的长度差异，被不断放大。从整体上看，这就表现为整个管道网络的优化了。

其实这就是一种正反馈机制。也就是说，管道的粗细和其中的流量能够彼此加强、相互催化放大的效应。正是它的存在，才让阿米巴虫仅仅通过局部的相互作用，就能完成看起来不可能的“设计最优路网”的任务。

科学家们发现，复杂系统能够产生涌现现象的普遍原理，就是通过局部相互作用形成的正反馈放大机制。它不仅可以解释黏菌的神奇本领，还可以解释更多的现象，比如我们开头提到的蚂蚁觅食的例子。

最开始的时候，蚂蚁会在环境中随机找食物。一旦它找到食物，就会往环境中释放一种信息素，这是一种气味。等新的蚂蚁过来时，就会受到信息素的引导，快速找到食物。

当存在两条相互竞争的路径时，那条较短的路径就会在同样的时间里被更多的蚂蚁走过，这条路上的信息素浓度就更高。而更高的信息素会吸引更多的蚂蚁过来，更多的蚂蚁又会释放更多的信息素。于是，这条短路径很快就在竞争中胜出了。

你看，这也是一个正反馈的机制。

按照这种理解，无论是细胞、大脑，还是人类社会，所有那些我们觉得神奇的特性都有可能是那些大量简单的个体通过局部的感知和互动，形成了某种正反馈放大的机制，最终催生了涌现现象的形成。


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那发现了涌现现象的机制，对我们来说有什么用呢？在大多数情况下，涌现现象是很难被设计和操控的。但是，这并不妨碍我们通过巧妙地设计促使涌现发生的条件，来达到我们的目的。


比如，在东京路网实验中，为了模拟海岸线的影响，实验人员把容器的边缘设计成了海岸线的形状，阻挡阿米巴虫的爬行。为了模拟海拔高度对交通路网的影响，实验人员还发明了光照的方法。因为黏菌是一种厌光的生物体，它们觅食的时候会躲避光照。

所以，我们只需要用光照来模拟地图上的高山区域，就可以让黏菌优化出一个考虑了实际地形的路网。而实验最终的路网，和实际的东京路网非常相似。

难怪在这个实验以后，越来越多的实验室开始重现这个过程，争相让阿米巴虫帮助人类设计师找到连接哥本哈根、首尔或者北京附近城市的高效交通路网。

再进一步，当我们解析了涌现现象背后的微观机理以后，我们还可以利用它来解决看起来完全不同的问题。

2018年，NASA，也就是美国国家航空航天局的一群科学家，居然用黏菌的涌现规律，去发现宇宙星系间的暗物质。暗物质这种东西看不见摸不着，也基本不和普通物质发生反应。怎么利用黏菌来发现呢？

原来，科学家们怀疑，宇宙间的暗物质会像管道网络一样，把宇宙中的各个星系相互连接在一起。于是，他们想了一个办法，利用黏菌在目前预测的宇宙模型上，爬行出这个暗物质管道网络。

只不过这一次，科学家没用真实的黏菌，而是把它的相互作用规则，用电脑程序模拟出来，形成了“黏菌算法”。结果，他们模拟出的网络，和我们目前已知的一些暗物质分布吻合得很好。

你可能会问，对任何一种复杂系统，是不是黏菌的这个算法都适用？当然不是，一般来说，不同的复杂系统中都会有不同的相互作用方式。

那对于其他复杂系统的涌现现象，我们是不是都能找到对应的相互作用规则呢？我要坦诚地说，这个问题目前还没有答案，但正在被最新的人工智能技术攻克，我们的课题组就正在这方面展开研究和探索。


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总结一下这一讲的内容。

在复杂系统中，存在着很多异常复杂有趣的宏观现象和规律，这些现象和规律很难用个体的特性加以解释，我们把这类现象称为“涌现”。

宏观涌现的微观起源，在于一整套基于局部感知和互动的正反馈机制，能够把微观的微弱信号放大到宏观的层面。我们还可以巧妙地设计条件，诱导涌现的发生，解决复杂问题。

以上内容，来自得到App全新课程《张江·复杂科学前沿》。掌握一些复杂思维方法，多一种解决问题的新思路，能让你更好地在这个复杂世界中生存。 邀请你现在加入，享受这段通往复杂科学的旅程。




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