Не нужно вызывать пожарную команду. rokopix / Shutterstock
Выход в природу может показаться миру далеко от математической классной комнаты. Но красота, которая нас окружает, имеет порядок - и ключ к ее открытию был одним из лучших в мире взломщиков кодов.
Алан Тьюринг, возможно, наиболее известен тем, что расшифровывает немецкие сообщения, созданные их загадочной машиной во время Второй мировой войны. Но влиятельный ученый Мысль о взаимодействии между природой и математикой была очень глубокой до его безвременной кончины в 1954. На самом деле, его последняя опубликованная статья стала одной из основополагающих теорий математической биологии, предметом, посвященным пониманию того, как работают природные механизмы, путем нахождения уравнений, которые их описывают, от изменений видовой популяции до способа роста раковых опухолей.
Рыба-марихуана, одетая в особый завораживающий узор Тьюринга. Деннис Якобсен / Shutterstock
Тьюринг предположил, что два биологических химических вещества, движущиеся и реагирующие друг с другом математически предсказуемым образом, могут объяснить формы и закономерности в природе. Например, представьте, что шерсть гепарда - это сухой лес, в котором вспыхивают химические «пожары». Одновременно с этим противопожарные химикаты второго типа работают, чтобы окружить и сдержать эти пожары, оставляя обугленные участки - или пятна - в пушистом ландшафте.
Важно отметить, что скорость химического вещества-ингибитора пожаротушения должна быть выше, чем у химического вещества-активатора, создающего пятна, для создания рисунков. Слишком медленно, и химический активатор будет доминировать, приводя к однородному цвету.
Тьюринг придумал два уравнения, которые моделируют, какие виды моделей будут создаваться как концентрация двух химических веществ и скорость, с которой они распространяют изменения. Тем не менее, было невероятно трудно решить эти сложные уравнения с примитивными вычислительными машинами в то время. Тьюринг однажды предпринял кропотливую задачу, создав пятнистый узор, напоминающий шкуру коровы.
С помощью современных компьютеров ученые показали, что уравнения Тьюринга могут использоваться для имитации бесчисленных двумерных структур, наблюдаемых в естественном мире, от отпечатки пальцев и шкуры животных в полузасушливые пейзажи.
{vembed Y = 5WGg1OkS8-4}
Показывать, что реакции и движения химических веществ на самом деле стоят за созданием природных паттернов, было сложнее. Например, мы не можем наблюдать, как пятна матки развиваются в матке. Даже наблюдая замечательные узоры растущей рыбы-ангела изменить по мере их развития от ювенильной стадии до зрелости не является доказательством того, что танец двух химических веществ-ингибиторов активатора работает.
Хотя недавно, Паттерны Тьюринга in Волосяные луковицы, куриные перьякачества зубастые акуловые «чешуя» все, как было непосредственно показано, было произведено взаимодействием между активатором и химическим ингибитором.
Конечно, природа редко бывает так проста, как два химических вещества, взаимодействующих в изоляции. Ученые теперь расширили теорию Тьюринга, чтобы объяснить более сложные системы, такие как кровати мидии, которые простираются на сотни метров в большом паттерне Тьюринга и отображают совсем другой тип паттерна в меньшем масштабе. Четыреххимическая версия теории также точно моделирует формирование хребтов во рту позвоночных.
Интересно, что мы также можем применить работу Тьюринга ко всему спектру невизуальных паттернов. Например, мое исследование исследует, как мы используем их для моделирования моделей территории животных. Вместо того, чтобы описывать концентрацию и реакции между химическими веществами, мы использовали аналогичные уравнения для описания вероятности местоположения людей и взаимодействия между каждым человеком и его окружающей средой.
Как вы можете себе представить, уравнения часто очень сложны, так как множественные факторы влиять на движение животного, от следы аромата и физическое присутствие других животных к месту добычи и даже памяти.
Но модели движения, предсказанные уравнениями, которые моделируют эти факторы, сравнивают на удивление хорошо к фактическому движению животных в области. Помимо того, что это само по себе увлекательно, такое исследование может помогите нам понять как изменения в среде обитания вида влияют на более широкие экосистемы - что может быть очень важно, учитывая угрозу исчезновения климата для сотен тысяч видов.
Этот метод моделирования моделей территории может быть даже распространен на человеческое население. Например, одно исследование показал что движение членов банды Лос-Анджелеса можно точно предсказать с помощью уравнений, которые моделируют центральное местоположение их банды и граффити-метки других банд.
Возможно, даже Тьюринг не мог вообразить, сколько прекрасных тайн природы откроет его оригинальная газета. И это не только математическая биология, в которую он внес определяющий вклад - мы должны поблагодарить его гения за гораздо больше, Спасибо Алан.
Об авторе
Наташа Эллисон, доктор философии, Университет Шеффилда
Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
