Nie trzeba dzwonić do straży pożarnej. rokopix / Shutterstock
Wydostać się do natury może wydawać się światem z dala od klasy matematyki. Ale piękno, które nas otacza, ma porządek - a jeden z najlepszych na świecie twórców kodów był kluczem do jego odblokowania.
Alan Turing może być najbardziej znany z odszyfrowywania niemieckich wiadomości utworzonych przez ich maszynę do zagadek podczas II wojny światowej. Ale wpływowy naukowiec zastanawiał się nad interakcją między naturą a matematyką na wielkiej głębokości przed jego przedwczesną śmiercią w 1954. W rzeczywistości jego ostatnio opublikowany artykuł stała się jedną z podstawowych teorii biologii matematycznej, przedmiotem poświęconym zrozumieniu działania mechanizmów przyrody poprzez znalezienie równań, które je opisują, od zmian populacji gatunków po rozwój nowotworów nowotworowych.
Rozdymka mbu ubrana w wyjątkowo hipnotyzujący wzór Turinga. Dennis Jacobsen / Shutterstock
Turing zaproponował, że dwie biologiczne substancje chemiczne poruszające się i reagujące ze sobą w matematycznie przewidywalny sposób mogą wyjaśnić kształty i wzorce zachodzące w naturze. Wyobraź sobie na przykład, że płaszcz geparda to suchy las, w którym wybuchają chemiczne pożary. Jednocześnie strażackie chemikalia drugiego typu działają w otoczeniu i powstrzymują te pożary, pozostawiając zwęglone plamy - lub plamy - w futrzanym krajobrazie.
Co ważne, prędkość tworzonego wzoru musi być szybsza niż substancja chemiczna będąca inhibitorem gaszenia pożaru niż prędkość substancji chemicznej aktywującej tworzenie plam. Zbyt wolno, a substancja aktywująca dominuje, co prowadzi do jednolitego koloru.
Turing opracował dwa równania, które modelują, jakie rodzaje wzorów będą wytwarzane zarówno jako stężenie dwóch chemikaliów, jak i prędkość, z jaką rozpraszają zmiany. Jednak niezwykle trudne było rozwiązanie tych złożonych równań za pomocą prymitywnych maszyn komputerowych w tym czasie. Turing jednak raz podjął się żmudnego zadania, tworząc nakrapiany wzór przypominający skórę krowy.
Wspierani przez współczesne komputery naukowcy wykazali, że równania Turinga można wykorzystać do naśladowania niezliczonych dwuwymiarowych wzorów obserwowanych w świecie przyrody, z odciski palców oraz płaszcze zwierząt do półpustynne krajobrazy.
{vembed Y=5WGg1OkS8-4}
Trudniej było wykazać, że reakcje i ruchy chemikaliów rzeczywiście odpowiadają za tworzenie wzorów natury. Nie możemy na przykład obserwować, jak w macicy rozwijają się plamy geparda. Nawet obserwując niezwykłe wzory rosnących anielskich ryb zmieniają się wraz z rozwojem od etapu młodości do wieku dorosłego nie dostarcza dowodów na to, że taniec dwóch chemikaliów będących inhibitorami aktywatora działa.
Ostatnio jednak Wzory Turinga in mieszki włosowe, pióra kurczaka, „łuski” rekina wszystkie zostały bezpośrednio wykazane przez interakcję między aktywatorem a inhibitorem chemicznym.
Oczywiście natura rzadko jest tak prosta, jak dwie substancje chemiczne oddziałujące w izolacji. Naukowcy rozszerzyli teorię Turinga, aby wyjaśnić bardziej złożone systemy, takie jak łóżka z małży, które rozciągają się na setki metrów w dużym wzorze Turinga i wyświetlają zupełnie inny rodzaj wzoru w mniejszej skali. Czterochemiczna wersja teorii również dokładnie modeluje tworzenie się grzbietów w pysku kręgowca.
Co ciekawe, możemy również zastosować pracę Turinga do całej gamy wzorów niewizualnych. Na przykład, moje badania bada, w jaki sposób wykorzystujemy je do modelowania wzorów terytorium zwierząt. Zamiast opisywać stężenie i reakcje między chemikaliami, zastosowaliśmy podobne równania, aby opisać prawdopodobieństwo lokalizacji osobników oraz interakcje między nimi a ich otoczeniem.
Jak możesz sobie wyobrazić, równania są często bardzo złożone, as wiele czynników wpływać na ruch zwierzęcia, od ślady zapachu i fizyczna obecność innych zwierząt w miejscu ofiary, a nawet w pamięci.
Ale wzorce ruchów przewidywane przez równania, które modelują te czynniki, są porównywane zaskakująco dobrze do faktycznego przemieszczania zwierząt na danym obszarze. Takie badania mogą być fascynujące same w sobie pomóż nam zrozumieć jak zmiany w siedlisku gatunku wpływają na szersze ekosystemy - co może być bardzo ważne, biorąc pod uwagę zagrożenie wyginięciem rozkładem klimatu dla setek tysięcy gatunków.
Ta metoda modelowania wzorów terytorium może być nawet rozszerzona na populacje ludzkie. Na przykład jeden kawałek badań pokazał że ruch członków gangu w Los Angeles można dokładnie przewidzieć za pomocą równań, które modelują centralne położenie ich gangu i graffiti innych gangów.
Być może nawet Turing nie wyobrażałby sobie, ile pięknych sekretów natury odkryje jego przełomowa praca. I nie tylko biologia matematyczna, w którą wniósł decydujący wkład - mamy za to jego geniusz, za który możemy podziękować dużo więcej. Dzięki Alan.
O autorze
Natasha Ellison, doktor naukowiec, University of Sheffield
Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.
