大肠杆菌的觅食行为：6种智能优化算法的应用

大肠杆菌是目前研究比较透彻的微生物之一，细菌的表面遍布着纤毛和鞭毛。纤毛是一些用来传递细菌之间某种基因的能运动的突起状细胞器，而鞭毛是一些用来帮助细胞移动的细长而弯曲的丝状物。另外，大肠杆菌自身有一个控制系统指引细菌寻觅食物过程中的行为且保证细菌向着食物源的方向前进并及时地避开有毒的物质。例如，细菌会避开碱性和酸性的环境，向着中性的环境移动，并且在每一次状态的改变之后对效果进行评价，为下一次状态的调整提供决策信息。

大肠杆菌的移动全靠其表面上的所有鞭毛的同方向上的转动来实现。当鞭毛全部沿逆时针方向转动时，会给大肠杆菌一个推动力促使其快速向前游动；反之，当鞭毛全部沿顺时针方向转动时，会给大肠杆菌施加一个阻力使其原地旋转不再向前游动。如图6.1所示。

生物学研究表明，大肠杆菌的觅食行为主要包括以下四个步骤：

Step1寻找可能存在食物源的区域；

图6.1　大肠杆菌的移动

Step2决定是否进入该区域，若进入，则进行下一步骤，若不进入，则返回上一步；(www.xing528.com)

Step3在所选定的区域中寻找食物源；

Step4消耗掉一定量的食物后，决定是继续在该区域觅食还是迁移到一个更理想的区域。

通常在觅食的过程中对于当前的觅食区域存在下面两种情况：

第一种，大肠杆菌的当前觅食区域营养匮乏。根据其在觅食搜索过程中获得的经验，可以得出在其他区域可能有更丰富的食物源的判断。那么，大肠杆菌将凭借这个判断，适当改变运动方向，朝着其认为有丰富食物的方向开始前进。

第二种，大肠杆菌的当前觅食区域营养丰盛。在大肠杆菌停留了一段时间之后，该区域内的食物已被其消耗殆尽，造成营养匮乏，迫使其不得不离开当前区域去寻找另一个可能有更丰富食物的区域。

总的来说，大肠杆菌所移动的每一步都是在其自身生理和周围环境的约束下，尽量使其在单位时间内所获得的能量达到最大。细菌觅食算法正是分析和利用了大肠杆菌的这一觅食过程而提出的一种仿生随机搜索算法。