[論文レビュー] Schlauschleimer in Reichsautobahnen: Slime mould imitates motorway network in Germany

Andrew Adamatzky, Theresa Schubert|UWE Research Repository (UWE Bristol)|Sep 16, 2012

Slime Mold and Myxomycetes Research参考文献 33被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、栄養源を主要都市に配置し、ベルリンにプラズモジウムを接種することで、スライムモールド *Physarum polycephalum* を用いてドイツの自動車道網の発展を模倣した。スライムモールドが形成する原 protoplasmic ネットワークは、実際の自動車道網のトポロジーとよく一致しており、40%の実験で60%の自動車道セグメントが再現された。また、ハムブルク–ブレーメンおよびコロナ–フランクフルト–マインツ–カールスルート–シュトゥットガルト–ミュンヘンといった主要な接続部は90%以上の実験で再現された。これは、人間のインfra構築計画を模倣する生物学的ネットワーク最適性の証明である。

ABSTRACT

The German motorway, or 'autobahn', is characterised by long traditions, meticulous state planning, historical misbalance between West and East Germany's transport networks, and highest increase in traffic in modern Europe, posing a need for expansion and/or restructuring. We attempt to evaluate the structure of autobahns using principles of intrinsic optimality of biological networks in experiments with slime mould of Physarum polycephalum. In laboratory experiments with living slime mould we represent major urban areas of Germany with sources of nutrients, inoculate the slime mould in Berlin, wait till the slime mould colonises all major urban areas and compare the statistical structure of protoplasmic networks with existing autobahn network. The straightforward comparative analysis of the slime mould and autobahn graphs is supported by integral characteristics and indices of the graphs. We also study the protoplasmic and autobahn networks in the context of planar proximity graphs.

研究の動機と目的

• ドイツの自動車道網の構造が、生物学的輸送ネットワークで観察される内在的最適性の原則と一致するかどうかを評価すること。
• *Physarum polycephalum* の採取行動が、人間が計画した高速道路システムのトポロジーを自然に近似的に再現できるかどうかを調査すること。
• グラフ理論的指標を用いて、スライムモールドの原 protoplasmic ネットワークと実際の自動車道網との間で、接続性、平均リンク長、Randić 指数の統計的およびトポロジカル特性を比較すること。
• 生きたスライムモールドを、効率的な輸送インfraストラクチャのモデリングおよび設計のためのバイオインスパイアドツールとしての可能性を検討すること。
• 塩による汚染といったシミュレートされた環境ストレス要因に対して、原 protoplasmic ネットワークが示すレジリエンスおよび適応的反応を評価すること。

提案手法

• 実験設定において、主要ドイツ都市に相当する都市を表すためにオートフレーク（穀物フレーク）を栄養源として配置した。
• *Physarum polycephalum* のプラズモジウムをベルリンに接種し、24時間の間に全栄養源に広がるよう促進した。
• 24時間後にプロトプラズムネットワークのスナップショットを撮影し、発達したネットワーク構造を捉えた。
• グラフ理論的分析をスライムモールドネットワークおよび実際の自動車道網に適用し、接続性、平均リンク長、Randić 指数を比較した。
• Emsland 原発の位置に20 mg の海水ソルト結晶を配置することで、ネットワークが嫌悪物質に反応する様子を観察するためのシミュレートされた汚染実験を実施した。
• 塩汚染に対するプラズモジウムの反応を、ハイパーモビリティ、移動、ルート再設定の兆候について分析し、活動の増加が地域ごとに記録された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スライムモールド *Physarum polycephalum* が形成する原 protoplasmic ネットワークは、ドイツの自動車道網のトポロジーをどの程度再現するか？
• RQ2 複数回の実験にわたって、スライムモールドが最も一貫して再現する具体的な自動車道セグメントは何か？
• RQ3 接続性、平均リンク長、Randić 指数といった統合的グラフ特性は、実際の自動車道網とスライムモールドネットワークの間でどのように比較されるか？
• RQ4 塩汚染といった環境ストレス要因に対してスライムモールドはどのように反応するのか？ これによりネットワークのレジリエンスはどのように明らかになるか？
• RQ5 *Physarum polycephalum* の採取行動は、効率的な輸送ネットワークが自発的に出現する生物学的に妥当なモデルと見なせるか？

主な発見

• 実験の40%において、スライムモールド *Physarum polycephalum* の原 protoplasmic ネットワークが、自動車道網の約60%のセグメントを成功裏に再現した。
• ハムブルク–ブレーメン、ハノーファー–ビーレフェルト、コロナ–ドルムント、マインツ–カールスルート–ミュンスター、アウグスブルク–ミュンヘンといった輸送リンクは、90%以上の実験で再現された。
• キール–ハムブルク–ブレーメン–ハノーファー–ビーレフェルト–ミュンスター–ドルムント–コロナ–フランクフルト–マインツ–カールスルート–シュトゥットガルト–アウグスブルク–ミュンヘンというチェーンおよびその分岐（ハノーファー–ブラウンシュヴァイク）は、半数以上の実験で再現された。
• フランクフルト–ブラウンシュヴァイクおよびフランクフルト–ライプツィヒのリンクは、全22回の実験を通じてスライムモールドによって一度も再現されなかった。
• 塩汚染に対してプラズモジウムはハイパーモビリティおよび移動反応を示し、シュレースヴィッヒ＝ホルシュタイン、ベルリン、トゥーリングィア＝オーバーフランケンの境界地域で活動が増加した。また、北西部ポーランドおよび南東フランス方面への大規模な移動が観察された。
• スライムモールドのネットワークは、接続性、平均リンク長、Randić 指数といった主要な指標において、自動車道網と強いトポロジカル類似性を示しており、ネットワーク形成における生物学的最適性が裏付けられた。