世界上最着名的密码破解者如何解开自然之美的秘密

科学 无需致电消防队。 rokopix /存在Shutterstock

走出大自然似乎远离数学课堂。 但是,我们周围的美丽有秩序 - 世界上最好的密码破译者之一是解锁它的关键。

阿兰·图灵可能因解密第二次世界大战中他们的谜机所创造的德国信息而闻名。 但是 有影响力的科学家 在1954中不幸逝世之前,他深入思考了自然与数学之间的相互作用。 事实上,他的 最后发表的论文 成为数学生物学的创始理论之一,通过寻找描述它们的方程式,从物种种群变化到癌症肿瘤生长方式,致力于理解自然机制如何发挥作用的主题。

科学 一种mbu河豚,穿着特别令人着迷的图灵图案。 Dennis Jacobsen / Shutterstock

图灵提出,两种生物化学物质以数学上可预测的方式相互移动和反应,可以解释自然界的形状和模式。 例如,想象一下猎豹的外套是一片干燥的森林,化学“火”爆发了。 同时,第二种类型的消防化学品围绕并包含这些火灾,在毛茸茸的景观中留下烧焦的斑块或斑点。

重要的是,消防抑制剂化学品的速度必须快于产生斑点的活化剂化学品的速度。 太慢,活化剂化学物质占主导地位,导致颜色均匀。

图灵提出了两个方程式,它们模拟了两种化学物质的浓度和它们扩散变化的速度。 然而,用当时的原始计算机解决这些复杂的方程是非常困难的。 图灵确实承担了一项艰苦的任务,产生了一种类似于牛皮的斑驳图案。

在现代计算机的帮助下,科学家们已经证明,图灵的方程可以用来模仿自然界中无数的二维模式,从 指纹大衣的动物半干旱景观.

表明化学物质的反应和运动实际上是自然模式创造的背后更加困难。 例如,我们无法观察猎豹在子宫中的发育情况。 甚至观察不断增长的天使鱼的非凡图案 随着他们的发展而改变 从青少年阶段到成年期并不能证明两种活化抑制剂化学物质的舞蹈在起作用。

最近, 图灵模式 in 毛囊, 鸡毛牙齿般的鲨鱼“鳞片” 所有这些都直接表明是由活化剂和抑制剂化学物质之间的相互作用产生的。

当然,自然界很少像两种化学物质相互作用那么简单。 科学家现在已经将图灵的理论扩展到解释更复杂的系统,如 贻贝床,以大图灵图案延伸数百米,并以较小的比例显示完全不同类型的图案。 理论的四化学版本也准确地模拟了 形成山脊 在脊椎动物的嘴里。

有趣的是,我们也可以将图灵的作品应用于各种非视觉模式。 例如, 我的研究 探讨我们如何使用它们来模拟动物的领土模式。 我们没有描述化学物质之间的浓度和反应,而是使用类似的方程来描述个体位置的概率,以及每个个体与其环境之间的相互作用。

你可以想象,方程通常非常复杂,如 多重因素 影响动物的运动 香味 和其他动物的物理存在到猎物甚至记忆的位置。

但是通过模拟这些因素的方程预测的运动模式相比较 出乎意料的好 一个地区动物的实际运动。 除了本身很吸引人之外,这样的研究也可以 帮助我们理解 物种栖息地的变化如何影响更广泛的生态系统 - 考虑到灭绝气候破坏对数十万物种的威胁,这可能非常重要。

这种对领土模式进行建模的方法甚至可以扩展到人口。 例如,一项研究 显示 洛杉矶帮派成员的行动可以通过模拟他们团伙的中心位置和其他帮派的涂鸦标签的方程式来准确预测。

甚至连图灵都不会想到他的开创性论文会释放多少大自然的美丽秘密。 而且他不仅仅是数学生物学,他还做出了明确的贡献 - 我们有他的天才值得感谢 这么多。 谢谢艾伦。谈话

关于作者

Natasha Ellison,博士研究员, 谢菲尔德大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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