科普---蘑菇有语言吗？数论与遗传学之有趣联系

山海之声VIP

2023-08-08 11:35

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科普---蘑菇有语言吗？数论与遗传学之有趣联系

蔡汉以

2023-08-08

▂▃▅▆█蘑菇有语言吗？

（来源NASA探索者）在英国《皇家学会开放科学》杂志上，一则关于蘑菇间可以用电信号相互进行交流的研究，引起了广泛的关注。西英格兰大学非常规计算实验室的科研工作者称，在四种不同大型真菌的生物电试验中，发现了真菌间存在类似语言的交流信号。
神奇的真菌
人们常吃的蘑菇，在生物学分类上是大型真菌的子实体。如果用植物器官来类比，真菌的孢子相当于植物的种子，而真菌的子实体，也就是它的产孢结构，就相当于植物的果实。人类所食用的蘑菇，只是真菌庞大组织中的小部分，除此之外，真菌更大的组成部分，是由大量的菌丝形成的营养体。菌丝是大多数真菌的结构单位，是真菌主要用于吸收、运输、储存营养的主体结构。
尽管看似差异巨大，但真菌与人类的亲缘关系，其实比跟植物的更近。在距今十亿年前，真菌和动物有着共同的祖先，而在之后的漫长进化道路中，二者分道扬镳，哺乳动物的一支演化成了今天的人类，而一部分大型真菌的子实体，则成了人类餐桌上的常客，也被称为蘑菇。
与蘑菇给人默默无声的一般印象不同，真菌整体上是行为复杂而活跃的物种，也是自然界高效的捕食者。菌丝不仅可以吸取和消化植物中的养分，也可以制作成菌丝陷阱，捕捉土壤中的线虫，为真菌获取不能从植物中得到的营养元素。真菌是可以吃肉的。
真菌间通过电信号交流
菌丝的奇特之处还远不止如此，英国研究者安德鲁·阿达马茨基，曾通过生物电活动峰值的测定试验，揭示了黏液菌具备一定的认知能力。受此启发，他用电极测试了四种不同真菌的生物电活动信号，将记录的峰值与人类神经元信号进行对比，发现二者间具有很高的相似度。
因此，研究人员推测，真菌间可能拥有类似人类神经网络一般的信息交流网，并通过电信号来传递信息。此次试验采用了常见的金针菇、冬虫夏草、裂褶菌和神秘的幽灵真菌，研究者通过差分电极记录了真菌在不同环境刺激下的菌丝中的微电流反应。
结果令人吃惊，菌丝末梢不仅检测到了生物电信号的波动，在不同环境刺激下，还呈现出了规律性的趋势。例如，在接触到食物时，菌丝中的电信号峰值和频率明显变高了。研究人员表示，这或许意味着真菌在跟同伴热切交谈食物的信息。
菌丝网络上能交流什么？
研究者表示，尽管这些真菌间的生物电信号峰值经过编码后和人类的语言有同样的分布特征，但还无法证明真菌生物电信号的峰值具有语言的意义，对破译真菌交流的内容仍停留在假设阶段。不过，利用菌丝形成的网络传递信息，实际上并不罕见。科学家在研究工作中，观察到了大量植物利用地下菌丝网络，向邻近植物传递信息的证据。这或许可以为破译真菌间可能用菌丝网络交流的内容，提供一定参照。
在自然界，存在着一类与植物共生的土壤真菌，可以侵染植物根系形成丛枝状的菌根。平时，植物为真菌提供生长必须的营养物质，而真菌利用庞大的菌丝网络从地下吸收氮、磷等元素供给植物。当危险来临时，植物也可以通过共生的丛枝菌根真菌给另一头的植物“打电话”，发出预警信息。
有试验利用丛枝菌根真菌，在两株临近的番茄间搭起菌丝网络，并给其中一株番茄接种了病菌，而在另一株健康的番茄植株上，研究者同样检测到了与抗病相关基因的表达和抗病相关酶的活跃。研究人员判断，植物可能通过菌丝网络传递了抗病的警示信息，从而导致健康的番茄植株做出了抗病的表达。植物会通过丛枝菌根真菌的菌丝网络与周围的植物共享环境信息，这些信息种类的丰富程度可能超出人类认知。
植物可以感知到环境中光、水、无机盐等营养物质的信息，通过菌丝网络传递给同类，调节植物自身和种群的生长状况。同时，如果遭遇虫害或食草动物的威胁，植物还会通过菌丝网络将其移动信息传递给同类，引起邻近植物的防御性响应。
这些都是利用真菌的菌丝网络来实现的功能，菌丝网络不仅可以实现真菌间的信息交流，也可以帮助植物实现信息的联网。可以设想，如果真菌真的可以上网对话，它们的菌丝网络世界交流的信息或许比人类想象中更为丰富。
从抗击敌人到获取食物，菌丝网络上发生的故事，精彩程度或许不会亚于人类的日常生活。随着科学的不断进步，自然界许多的奇妙之处被一一揭开，也许有一天人类终能破译蘑菇的语言。

▂▃▅▆█数论与遗传学之有趣联系

（来源原理）1、2、3、4……作为数学最基本的对象，数字早已渗透进我们的生活。而数字背后那精致无比的结构，也刺激着人类想象力的极限。在过去几个世纪里，研究整数之间的关系的数论，仍然保留着最纯粹的数学形式。
乍看之下，数论似乎过于抽象，我们很难想象要如何将它们应用于现实世界。然而，数论却一次又一次在科学和工程中得到了意想不到的应用，从广泛存在于自然界的斐波那契序列的，到基于素数分解的现代加密技术。
在一项新的研究中，由数学家、工程师、物理学家和医学科学家组成的跨学科团队，证明了数论和进化遗传学之间存在意外的联系。他们发现，数论中的数字和函数与遗传学中一个关键的特性存在着深刻的联系，这个特性就是表型突变稳健性，进而揭示了中性突变结构和生物体进化的关键见解。
表型突变稳健性
对生物体来说，单个基因型是生物信息的集合，可以由DNA或RNA序列编码。基因型可以被映射到所谓的表型上，即生物学上可被观测到的性状或行为，它包括一系列范围广泛的性状，从宏观的、可见的特性，到如基因的表达水平、蛋白质的三维构象等分子性状。
许多基因突变实际上是中性的，它们可以随着时间的推移慢慢积累，但不会影响表型的生存力。因此，基因型通常比表型多得多。这些中性突变会导致基因组序列随时间以一种稳定的速率变化。这种速率是已知的，科学家们可以根据这种变化速率比较两种生物在基因序列上的百分比差异，进而推断出它们最近的共同祖先生活在什么时候。
但是，这些中性突变的存在产生了一个重要的问题：序列中有多少突变是中性的？这种被称为表型突变稳健性的特征，就定义了在不影响表型的情况下，发生在所有序列中的突变的平均数量。
最大的稳健性
所谓表型稳健性，指的是如果一个生物体的特征或者表型在受到干扰时仍然存在，那么它就是稳健的。科学家早就已经知道，许多生物系统都能表现出非常高的表型稳健性。没有这种稳健性，进化就不可能发生。但他们不知道的是，稳健性的可能最大值是多少，他们甚至不知道是否存在这样一个最大值。
在这项新的研究中，研究人员试图回答的正是这个问题。他们运用数论中的数字和函数，给出了最大稳健性的值。他们证明了，最大稳健性与映射到表型的所有可能序列的分数的对数成正比。另外，研究人员还发现，最大稳健性也与所谓的Takagi函数有关。Takagi函数是一个非常奇怪的分型函数，它处处连续，但又处处不可微。这个函数也被称为牛奶冻曲线，因为它看起来像法国甜点牛奶冻。
牛奶冻曲线。（图/Wikipedia）
重要的意义
这一发现可能对进化遗传学具有重要意义。在这项研究中，研究人员惊讶地发现，在某些情况下，大自然已经达到了最大稳健性的界。这就好像生物学知道分形数字和函数一样。研究人员总结道：“数论之美不仅在于它揭示了整数之间的抽象关系，还在于它在我们的自然世界中所揭示的深刻的数学结构。”他们表示，相信在未来，数论和遗传学之间将会出现许多有趣的新联系。

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