低等的黏菌正在帮助我们绘制宇宙

黏菌不会思考，但它们可以计算。这种单细胞生物在丰收时会自谋生路，但当情况变得艰难时，它们会聚在一起，形成一个集体生物，在寻找食物时表现出探索、学习和记忆的能力——这对于没有大脑或神经系统的生物来说已经很不错了。其中一种特别的黏菌，多头绒泡菌，已成为许多领域研究人员的宠儿，他们利用其开拓性来分析从古代道路到现代购物者的一切。现在，天文学家已经设计出这种生物的数字版本来研究宇宙本身。

“它们不仅不是动物或植物，甚至也不是真菌。它们是原生生物，一种更简单的生命形式，”加州大学圣克鲁斯分校天文学家、这项受黏菌启发的新研究的合著者约瑟夫·伯切特 (Joseph Burchett) 说。

基于这些简单生命形式的算法似乎在其他计算机模拟的不足之处取得了成功。根据最近发表在《天体物理学杂志快报》上的一项研究，该算法预测了天体物理学家认为遍布整个宇宙的复杂物质链网络的精确形状。以前的观测可能只捕捉到了这种难以捉摸的结构的狭小空间，一些星系似乎追踪到了明显的细丝，但伯切特说，这个计算机模型利用黏菌的洞察力，首次将所有可用证据整合成我们局部宇宙网络的统一地图。他希望这个模拟能指导像他这样的天文学家，帮助他们了解星系如何演化以及某些星系最终消亡的原因。

肉眼可见的每颗恒星都位于我们的银河系中，但那只是银河系的一小部分。星系本身挤在一起，串在一起形成一个难以想象的巨大“宇宙网”，其中的物质“细丝”被巨大的空洞隔开。

想要看清整个宇宙非常困难，因为相比之下我们实在是太小了（人类试图绘制这样的地图，就像细菌试图想象地球、太阳系和附近的恒星系统一样）。但研究人员利用三种技巧来掌握宇宙之网。

首先，天文学家注意到星系似乎大致呈直线排列，一个接一个。其次，哈勃太空望远镜观测到许多遥远的类星体（极其明亮的星系）像探照灯一样穿过星系际空间。通过测量这些光束在传播过程中如何变暗，研究人员可以知道它们在途中穿过了哪些网状线（通常由中性氢追踪）。但这些瞥见很狭窄——伯切特称之为“铅笔光束串”。为了了解整个网络，研究人员求助于第三种工具：计算机模拟。

这些程序力图模拟整个宇宙的发展。它们从大爆炸后的一团光滑的粒子开始——既有正常物质，也有被认为主宰古代和现代宇宙的不可见的“暗物质”。然后，随着引力将两种物质拉成团块，宇宙膨胀，将这些团块拉伸成各种尺寸的细丝，形成宇宙网。这些模型预测了整体结构，包括厚的和薄的部分，但由于它们是从随机配置开始的，所以它们无法生成与真实宇宙相匹配的地图，比如这边的银河系和那边的仙女座星系。伯切特说，根据实际观测建立的其他模型可以正确计算出星系附近的网状物质的数量，但很难重现更远处细小的细丝。他想要两者兼得。

黏菌的作用就此展开。伯切特对气体如何沿着宇宙网流动来影响恒星和星系的形成很感兴趣，他一直在努力寻找一个能满足他需要的模型。当计算机科学家同事奥斯卡·埃莱克 (Oskar Elek) 表示，德国艺术家 Sage Jenson 受黏菌启发创作的艺术作品与宇宙网的经济联系非常相似时，伯切特起初持怀疑态度。但在埃莱克修改了黏菌代码以“喂养”散布在三维空间中的星系（而不是在平坦的培养皿上）后，相似性就变得不可否认了。“当他向我展示结果时，我简直惊呆了，”伯切特说。

它的工作原理如下：完整模型将虚拟黏菌细胞放在一张包含 37,000 多个真实星系的地图上（来自斯隆数字巡天），星系的体积接近 10 亿光年，长约 2.5 亿光年，星系越大，食物堆也就越大。当这些生物寻找最有效的途径到达各种盛宴时，它们留下的痕迹，研究人员希望这些痕迹能勾勒出真实的宇宙之网。乍一看，该模型似乎产生了正确的结构，其中的细丝跨越了假定的尺寸范围，但仅仅看起来合理还不够。

为了对地图进行压力测试，他们将其与数字生成的虚拟宇宙进行了比较。他们运行了一个传统的宇宙学模型，从大爆炸到现代，得到了一个完整的宇宙网，其中有真实的暗物质和星系模式。然后他们扔掉了暗物质，只给黏菌喂食可见的星系。在虚拟的喂食狂潮平息之后，黏菌成功地几乎完美地追踪了被丢弃的暗物质的网状图案，无论是靠近大星系还是远离大星系的粗丝还是细丝。

研究小组确信黏菌模型知道如何找到网状结构的隐形结构，于是着手将所有三条证据联系在一起。他们根据斯隆数字巡天观测中可见星系的真实位置，重新绘制了真实宇宙的数字地图，并将其与哈勃望远镜用“铅笔光束串”拍摄的网状图像进行了比较。

他们发现，一切基本吻合。黏菌图预测的空无一物，哈勃望远镜看到的中性氢气却非常少。黏菌图预测的细丝状网，哈勃望远镜看到的氢气浓度却中等。天文学家长期以来一直认为星际空间中的氢气追踪着网状网，而伯切特表示，“这是两者之间首次确凿的关联”。

然而，在黏菌最密集的地方，哈勃望远镜实际上发现了中性氢气的下降。要么是算法未能在其最强点检测到网络，要么是成功了，而这些热点哈勃望远镜更难看到。伯切特押注于后者。他说，在剧烈的宇宙十字路口，网络变得最密集，在那里碰撞的星系发出冲击波，超大质量黑洞将能量喷入深渊。在这些区域，混乱的活动将氢气撕裂，而哈勃望远镜对这些碎屑视而不见。

最终，他希望黏菌图能够帮助解决长期存在的争议，例如宇宙网是否有助于星系的形成。要形成恒星，需要相对静止的气体，以便重力将其拉到一起。气体可能会在较粗的链中流动得太快，呼啸而过，而不是聚集在一起形成恒星——因此这些链中间的星系可能会相对较快地消亡。“这张[地图]现在为从生态系统的角度研究星系及其气体储层提供了一条前进的道路，”伯切特说。

但需要进行更多观察才能验证该地图是否真的代表了研究人员的期望。未来十年内投入使用的新望远镜，如智利的西蒙斯天文台（预计 2021 年首次亮相）或雅典娜 X 射线卫星（计划于 2031 年发射），将有助于了解黏菌的智慧究竟能延伸到多远。