[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究利用黏菌 *Physarum polycephalum* 模拟德国高速公路网络的形成过程，将营养源置于主要城市，并在柏林接种原生质体。黏菌形成的原生质网络与实际高速公路拓扑结构高度吻合，40%的实验中再现了约60%的高速公路路段，关键连接如汉堡–不来梅、科隆–法兰克福–曼海姆–卡尔斯鲁厄–斯图加特–慕尼黑在超过90%的试验中被复制，表明生物网络在模拟人类基础设施规划方面具有内在最优性。

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.

研究动机与目标

• 评估德国高速公路网络的结构是否符合生物运输网络中观察到的内在最优性原则。
• 研究 *Physarum polycephalum* 的觅食行为是否能自然逼近人类规划的高速公路系统的拓扑结构。
• 使用图论指标比较黏菌原生质网络与真实高速公路网络在统计和拓扑特性上的异同。
• 探索利用活体黏菌作为生物启发工具，用于建模和设计高效交通基础设施的潜力。
• 评估原生质网络对模拟环境压力源（如盐污染）的韧性与适应性反应。

提出的方法

• 在德国主要城市中心放置燕麦片作为营养源，以代表实验设置中的城市。
• *Physarum polycephalum* 的原生质体在柏林接种，并允许其在24小时内传播并占据所有营养源。
• 在24小时后拍摄原生质网络的快照，以捕捉其形成的网络结构。
• 对黏菌网络和真实高速公路网络应用图论分析，比较其连通性、平均边长和 Randić 指数。
• 通过在埃姆斯兰核电站位置放置20 mg 海盐晶体，开展模拟污染实验，以研究网络对排斥剂的响应。
• 分析原生质体对污染的响应，包括超激活、迁移和路径重定向现象，并在相关区域记录活动增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 由 *Physarum polycephalum* 形成的原生质网络在多大程度上复刻了德国高速公路网络的拓扑结构？
• RQ2 在多次实验中，哪些特定的高速公路路段被黏菌最一致地再现？
• RQ3 真实高速公路网络与黏菌网络在整体图特征（连通性、平均边长、Randić 指数）方面如何比较？
• RQ4 黏菌对盐污染等环境压力源的响应如何？这揭示了网络的何种韧性特征？
• RQ5 *Physarum polycephalum* 的觅食行为能否被视为一种生物上合理的模型，用于解释高效运输网络的自发形成？

主要发现

• 在40%的实验室实验中，*Physarum polycephalum* 的原生质网络成功再现了约60%的高速公路路段。
• 运输连接（汉堡–不来梅）、（汉诺威–比勒费尔德）、（科隆–多特蒙德）、（美因茨–卡尔斯鲁厄–明斯特）以及（奥格斯堡–慕尼黑）在超过90%的实验中被复制。
• 链路（基尔–汉堡–不来梅–汉诺威–比勒费尔德–明斯特–多特蒙德–科隆–法兰克福–曼海姆–卡尔斯鲁厄–斯图加特–奥格斯堡–慕尼黑）及其分支（汉诺威–布伦瑞克）在超过一半的实验中被再现。
• 在全部22次实验中，链接（法兰克福–布伦瑞克）和（法兰克福–莱比锡）均未被黏菌复制。
• 原生质体对盐污染表现出超激活和迁移反应，包括石勒苏益格-南石勒苏益格、柏林以及图林根-上弗兰肯边境区域的活动增强，并出现向西北波兰和东南法国的大规模迁移。
• 黏菌网络在连通性、平均边长和 Randić 指数等关键指标上与高速公路网络表现出强烈的拓扑相似性，表明其在网络形成中具有生物最优性。