[論文レビュー] Trans-Canada Slimeways: Slime mould imitates the Canadian transport network

Andrew Adamatzky, Selim G. Akl|arXiv (Cornell University)|May 25, 2011

Slime Mold and Myxomycetes Research参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スライム mould *Physarum polycephalum* が、主要都市に栄養源を与えることで、カナダの国立高速道路網に類似した輸送ネットワークを自発的に形成することを示している。カナダの形状にカットされたアガー培地にプラズモデュームを接種し、オatsフラクスを栄養源として配置することで、生物学的に最適化されたネットワークが形成され、実際の高速道路網のスパニングツリー構造と接続パターンを模倣した。これは、バイオインspired輸送ネットワーク設計への応用可能性を示唆している。

ABSTRACT

Slime mould Physarum polycephalum builds up sophisticated networks to transport nutrients between distant part of its extended body. The slime mould's protoplasmic network is optimised for maximum coverage of nutrients yet minimum energy spent on transportation of the intra-cellular material. In laboratory experiments with P. polycephalum we represent Canadian major urban areas with rolled oats and inoculated slime mould in the Toronto area. The plasmodium spans the urban areas with its network of protoplasmic tubes. We uncover similarities and differences between the protoplasmic network and the Canadian national highway network, analyse the networks in terms of proximity graphs and evaluate slime mould's network response to contamination.

研究の動機と目的

• スライム mould *Physarum polycephalum* が、人為的国家高速道路網の構造を自然に模倣する輸送ネットワークを形成できるかどうかを調査すること。
• 生物学的ネットワークがカナダ国立高速道路網とどの程度トポロジー的に類似しているかを評価すること、特に接続性とスパニングツリー形成の観点から。
• シミュレートされた汚染に対するスライム mould の反応を分析し、輸送ネットワークにおける実世界の混乱への耐性戦略を模倣しているかを検討すること。
• スライム mould らしい生物学的システムを、工学的輸送インfraストラクチャのバイオインspired設計と最適化に応用する可能性を探ること。
• スライム mould のネットワークを近接グラフ（例：最小スパニングツリー、デローニー三角形分割）と比較し、構造的最適性を評価すること。

提案手法

• スライム mould *Physarum polycephalum* のプラズモデュームを、12×12 cm のポリエチレンペトリディッシュ（カナダの形状にカット済み）に、アガーゲルを培地として培養した。
• カナダの11の主要都市および16の輸送ノードを、地理的に対応する位置にオatsフラクスを配置することで再現した。
• プラズモデュームが栄養源をつなぐプロトプラズミックチューブを形成するまで培養し、ネットワークを形成させた。
• ネットワークのトポロジーは、得られたプロトプラズミックネットワークを実際のカナダ高速道路網および近接グラフ（例：最小スパニングツリー、デローニー三角形分割）と比較することで分析した。
• 汚染を模倣するために、ブルース原子力発電所の近くに20 mg の塩化ナトリウム結晶を配置し、化学的嫌避反応を誘発した。
• 画像解析には二値化技術を用い、活性なプロトプラズミックチューブを分離し、ストレス下でのネットワークダイナミクスを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スライム mould *Physarum polycephalum* が形成するプロトプラズミックネットワークは、どの程度カナダの国立高速道路網の構造に類似しているか？
• RQ2 最小スパニングツリーおよびデローニー三角形分割などの近接グラフと比較して、スライム mould のネットワークはトポロジー的にどの程度類似しているか？
• RQ3 シミュレートされた汚染に対するスライム mould ネットワークの動的反応は何か？ これは、実世界のネットワークのレジリエンス戦略をどのように反映しているか？
• RQ4 遠隔地や低人口地域のノード（例：イヌビク、イエローナイフ）の存在が、形成されたネットワークのトポロジーに影響を与えるか？
• RQ5 生物学的ネットワークの自己組織化プロセスは、人為的輸送ネットワークの最適化や再設計のモデルとして機能できるか？

主な発見

• 75％以上の実験で、スライム mould はカナダ南境界に沿って都市を接続する非循環的輸送ネットワークを形成し、トロントからウィニペグ、サスカチュワン＝レジーナ、エドモントンへの中心幹線が形成された。
• プラズモデュームネットワークには、トロントにルートを持つ強いスパニングツリー成分が含まれており、ヤロウナイフ、リッジレー、イヌビク、バンクーバーへと枝が伸びており、実際の高速道路網の構造と密接に一致した。
• 高閾値の Physarum グラフは、最小スパニングツリー（MST）の23本中の17本の辺を含んでおり、最適輸送ネットワークとの強いトポロジカル類似性を示した。
• 汚染に反応して、プラズモデュームはカナダの国境を越えて移動し、特に米国およびグリーンランド方面に進展した。一方、ヌナブットやカナダ・プレリエリヤなど影響を受けない地域ではネットワーク活動が強化された。
• エドモントン－ウィニペグ、エドモントン－バンクーバー、イヌビク－リッジレーといった主要輸送経路でハイパーアクティベーションが観察され、損傷のない経路の適応的強化が示された。
• ノードおよびチューブから新たなプロトプラズミックプロセスが形成されたが、これは生物学的システムで観察される損傷修復およびネットワークのレジリエンスと整合する反応であった。