Năm 2010, một nhóm nhà khoa học Nhật Bản và Anh đặt các mẩu yến mạch theo vị trí các thành phố quanh Tokyo, thả vào đó một khối nấm nhầy Physarum polycephalum, và sau khoảng một ngày, sinh vật đơn bào không có não này đã nối các mẩu yến mạch thành một mạng lưới giống đáng kể mạng đường sắt thật của vùng Kanto. Kết quả đăng trên tạp chí Science, cho thấy một quy tắc rất đơn giản, ống nào chở nhiều thì nở to, ống nào ít dùng thì teo đi, đủ để thiết kế một mạng vừa ngắn vừa bền.
Nấm nhầy là gì
Dù mang tên "nấm", Physarum polycephalum không phải nấm. Nó thuộc nhóm amip nhầy, một nhánh sinh vật đơn bào khác hẳn nấm, cây hay động vật. Ở giai đoạn đang kiếm ăn, nó là một khối chất nguyên sinh màu vàng tươi gọi là thể nguyên hình (plasmodium): một tế bào khổng lồ chứa rất nhiều nhân, có thể lan rộng nhiều centimet vuông, đôi khi hơn.
Ngoài tự nhiên, nấm nhầy sống trên gỗ mục, lá ẩm dưới tán rừng, ăn vi khuẩn và bào tử nấm. Gặp khô hạn, nó co lại thành một lớp cứng ngủ đông, gặp ẩm lại tỉnh. Ở rừng ẩm Việt Nam có nhiều loài nấm nhầy; người đi rừng sau mưa đôi khi gặp những mảng vàng, trắng hay hồng trên khúc gỗ mục mà tưởng là mốc.
Cơ thể là một mạng ống
Nhìn kỹ, khối vàng ấy là một mạng các ống nối nhau. Chất nguyên sinh chảy tới chảy lui trong ống theo nhịp co bóp đều đặn, cứ khoảng một hai phút lại đổi chiều. Dòng chảy này chở chất dinh dưỡng và tín hiệu đi khắp cơ thể. Đây chính là bí mật của khả năng "vẽ mạng": cơ thể nó vốn đã là một hệ thống vận chuyển.
Thí nghiệm mê cung năm 2000
Trước thí nghiệm Tokyo, nhà khoa học Toshiyuki Nakagaki cùng Hiroyasu Yamada và Ágota Tóth đã công bố trên tạp chí Nature năm 2000 một thí nghiệm gây chú ý: cho nấm nhầy lấp đầy một mê cung bằng nhựa, rồi đặt thức ăn ở lối vào và lối ra. Sau vài giờ, các nhánh đi vào ngõ cụt rút dần, và cơ thể co lại thành một ống chạy theo đường ngắn nhất nối hai nguồn thức ăn.
Nấm nhầy không "nhìn" mê cung. Nó chỉ phản ứng tại chỗ: đoạn ống nằm trên đường nối hai nguồn thức ăn có dòng chảy mạnh nên được củng cố, đoạn rẽ vào ngõ cụt có dòng yếu nên teo lại. Lời giải hiện ra như một hệ quả, không phải như một phép tính.
Thí nghiệm Tokyo năm 2010
Bài báo năm 2010 của Atsushi Tero cùng các cộng sự, trong đó có Nakagaki và các nhà khoa học Đại học Oxford như Mark Fricker, đặt ra câu hỏi tham vọng hơn: một sinh vật như vậy có thiết kế được mạng giao thông thật không?
- Nhóm làm một đĩa thí nghiệm theo hình vùng Kanto, đặt mẩu yến mạch tại vị trí Tokyo và các thành phố xung quanh, tổng cộng khoảng ba mươi mấy điểm.
- Nấm nhầy được thả ở vị trí Tokyo và bắt đầu lan ra.
- Vì nấm nhầy tránh ánh sáng, nhóm chiếu sáng những vùng tương ứng với núi, hồ và biển, để mô phỏng địa hình mà đường sắt thật phải tránh.
- Ban đầu nấm nhầy phủ kín đĩa bằng một mạng dày đặc. Dần dần, nhiều nhánh rút đi, chỉ giữ lại các ống nối các mẩu yến mạch.
- Sau khoảng một ngày, mạng còn lại được đo và so với mạng đường sắt thật.
Nhóm so sánh theo ba tiêu chí mà kỹ sư giao thông nào cũng quan tâm, và kết quả là mạng của nấm nhầy đứng ngang hàng với mạng thật ở cả ba.
| Tiêu chí | Câu hỏi | Kết quả so sánh |
|---|---|---|
| Chi phí | Tổng chiều dài đường ống/đường ray có lớn không | Tương đương mạng thật |
| Hiệu quả vận chuyển | Đi từ điểm này sang điểm khác có phải vòng xa không | Tương đương mạng thật |
| Khả năng chịu lỗi | Đứt một đoạn ngẫu nhiên thì mạng có bị chia cắt không | Tương đương, có khi nhỉnh hơn ở một số lần chạy |
Không lần chạy nào cho ra một bản sao chính xác của tuyến đường sắt. Điều đáng nói là nấm nhầy tìm được sự cân bằng giữa ba tiêu chí xung đột: mạng ngắn nhất thì rẻ nhưng dễ đứt; mạng nối mọi điểm với mọi điểm thì bền nhưng tốn kém. Các kỹ sư Nhật cân nhắc điều này trong nhiều thập kỷ; nấm nhầy làm được trong khoảng một ngày, nhưng không phải lo đất đai, dân cư hay ngân sách.
Quy tắc bên trong: dòng chảy nuôi ống
Phần quan trọng nhất của bài báo không phải là bức ảnh mạng vàng, mà là mô hình toán học đi kèm. Nhóm của Tero viết lại hành vi nấm nhầy thành một quy tắc:
- Mỗi đoạn ống có một độ dẫn, tức độ "rộng" cho dòng chảy.
- Dòng chảy qua ống tính theo chênh lệch áp suất, giống nước chảy trong ống dẫn.
- Ống có dòng chảy lớn thì độ dẫn tăng lên; ống có dòng chảy nhỏ thì độ dẫn giảm dần về không.
Đây là một vòng phản hồi dương có kèm sự tiêu hao. Chỉ với quy tắc cục bộ ấy, không cần ai biết bản đồ tổng thể, mạng tự gọt thành một cấu trúc hợp lý. Người ta có thể chỉnh một tham số để mạng nghiêng về tiết kiệm hay nghiêng về dự phòng, tức là quyết định bao nhiêu đường vòng dự phòng được giữ lại.
Nhìn từ góc điều phối, đây là một bài học quen: tài nguyên được dồn vào nơi có nhu cầu thật, nơi không ai dùng thì thu hẹp. Một thành phố cũng làm thế với tuyến xe buýt: tuyến đông khách được tăng chuyến, tuyến vắng bị giảm hoặc bỏ.
Trí nhớ không cần não
Nấm nhầy còn làm được vài việc khác khiến các nhà nghiên cứu bất ngờ:
- Nhớ chỗ đã đi qua. Năm 2012, nhóm của Chris Reid ở Úc cho thấy nấm nhầy để lại một lớp nhầy trên đường nó đi, và khi kiếm ăn, nó tránh những chỗ đã có lớp nhầy. Lớp nhầy hoạt động như một trí nhớ nằm ngoài cơ thể, giúp nó không quay lại chỗ đã ăn hết.
- Đoán nhịp lặp lại. Trong thí nghiệm của nhóm Nakagaki và Saigusa, khi bị làm lạnh khô theo những khoảng thời gian đều đặn, nấm nhầy chậm lại; sau vài lần, nó tự chậm lại đúng lúc lẽ ra cơn lạnh tới, dù cơn lạnh không tới nữa.
- Cân đối khẩu phần. Các thí nghiệm cho ăn nhiều nguồn có tỷ lệ đạm và đường khác nhau cho thấy nó phân bố cơ thể để đạt một tỷ lệ dinh dưỡng nhất định.
Tất cả đều diễn ra trong một tế bào, không có tế bào thần kinh nào. Điều này buộc các nhà khoa học xem lại câu hỏi "giải quyết vấn đề có cần não không".
Từ đĩa thạch đến người làm quy hoạch
Sau bài báo năm 2010, nhiều nhóm lặp lại thí nghiệm với bản đồ các nước khác. Nhà khoa học máy tính Andrew Adamatzky ở Anh cùng cộng sự đã thử với nhiều vùng như Anh, Tây Ban Nha, Canada và so mạng nấm nhầy với hệ thống đường cao tốc. Kết quả khác nhau theo từng nơi: có vùng mạng nấm nhầy khá khớp, có vùng lệch nhiều, vì đường thật còn phụ thuộc lịch sử, chính trị và địa chất.
Mô hình toán của Tero thì được dùng nhiều hơn chính sinh vật. Nó trở thành một dạng thuật toán thiết kế mạng, được thử cho mạng dẫn nước, mạng phân phối và cả mạng truyền thông. Năm 2008 và 2010, Nakagaki và cộng sự hai lần nhận giải Ig Nobel, giải thưởng dí dỏm dành cho những nghiên cứu "khiến người ta cười rồi khiến người ta nghĩ": lần đầu cho thí nghiệm mê cung, lần sau cho thí nghiệm mạng Tokyo.
Đừng hiểu quá đà
Nấm nhầy không "thông minh hơn kỹ sư". Nó giải một phiên bản đơn giản hóa của bài toán: không có giá đất, không có nhu cầu đi lại khác nhau giữa các thành phố, không có chuyện mạng được xây dần qua hơn một thế kỷ. Giá trị thật của thí nghiệm là chứng minh một quy tắc cục bộ đơn giản có thể sinh ra cấu trúc toàn cục tốt, và cho các nhà thiết kế một công cụ để thử nhanh các phương án.
Góc nhìn hôm nay: tự xem nấm nhầy
Physarum polycephalum dễ nuôi tới mức nhiều lớp học ở nước ngoài dùng nó cho học sinh thí nghiệm. Nó cần một hộp kín, giấy ẩm hoặc thạch, vài mẩu yến mạch cán, chỗ tối và mát. Ở Việt Nam, giống nuôi thí nghiệm không phổ biến, nhưng nấm nhầy hoang thì dễ gặp: sau mưa, hãy để ý các khúc gỗ mục ở vườn quốc gia như Cúc Phương (Ninh Bình) hay Cát Tiên. Chụp ảnh, đừng mang về, vì nhiều loài khó sống ngoài chỗ của nó.
Ai muốn đọc tiếp có thể tìm bài báo "Rules for Biologically Inspired Adaptive Network Design" trên Science năm 2010; phần tóm tắt và hình vẽ đủ để hiểu ý chính. Bài học mang về đơn giản: khi thiết kế bất cứ mạng nào, từ lối đi trong vườn tới tuyến giao hàng, hãy để dòng sử dụng thật quyết định chỗ nào nên mở rộng, và luôn giữ vài đường vòng dự phòng.
Câu hỏi thường gặp
Nấm nhầy có phải là nấm không?
Không. Nấm nhầy như Physarum polycephalum thuộc nhóm amip nhầy, khác hẳn giới nấm. Tên gọi "nấm" có từ xưa vì chúng sinh bào tử và mọc trên gỗ mục giống nấm.
Thí nghiệm nấm nhầy vẽ mạng đường sắt Tokyo diễn ra khi nào?
Kết quả được công bố trên tạp chí Science năm 2010, do nhóm của Atsushi Tero và Toshiyuki Nakagaki thực hiện cùng các nhà khoa học ở Đại học Oxford. Nấm nhầy nối các mẩu yến mạch đặt theo vị trí thành phố vùng Kanto trong khoảng một ngày.
Nấm nhầy không có não thì sao tìm được đường ngắn nhất?
Cơ thể nó là mạng ống có chất nguyên sinh chảy qua lại. Ống có dòng chảy mạnh được củng cố, ống ít dòng chảy teo đi, nên các đường vòng và ngõ cụt tự biến mất và đường hiệu quả còn lại.
Nấm nhầy có nguy hiểm không?
Nấm nhầy không gây bệnh cho người hay vật nuôi. Chúng sống trên gỗ mục, lá ẩm và ăn vi khuẩn, bào tử nấm. Không nên ăn vì không có giá trị thực phẩm và chưa rõ độ an toàn.
Mạng nấm nhầy có giống hệt đường sắt Tokyo không?
Không giống hệt. Mạng nấm nhầy tương đương mạng thật về chi phí, hiệu quả và khả năng chịu đứt đoạn, nhưng hình dạng cụ thể khác nhau giữa các lần chạy và không trùng khít tuyến đường thật.
