Nie nodig om die brandweer te bel nie. rokopix / Shutter
Om in die natuur uit te kom, kan 'n wêreld weg van 'n wiskundeklaskamer lyk. Maar die skoonheid wat ons omring het bevel - en een van die beste codebreakers die wêreld se was die sleutel tot die ontsluiting van dit.
Alan Turing kan die beste bekend wees vir die dekripsie van Duitse boodskappe geskep deur hul raaiselmasjien in die Tweede Wêreldoorlog. Maar die invloedryke wetenskaplike gedink oor die wisselwerking tussen natuur en wiskunde in groot diepte voor sy ontydige dood in 1954. Trouens, sy laas gepubliseerde koerant het een van die stigterslede teorieë van wiskundige biologie, 'n onderwerp gewy aan die begrip van hoe meganismes die natuur se werk deur die vind van vergelykings wat hulle beskryf, vanaf veranderinge spesies bevolking aan die manier waarop kanker gewasse groei.
'N Mbu pufferfish dra 'n besonder betoverende Turing-patroon. Dennis Jacobsen / Shutterstock
Turing het voorgestel dat twee biologiese chemikalieë op 'n wiskundig voorspelbare manier beweeg en met mekaar reageer, vorms en patrone oor die natuur kan verduidelik. Verbeel jou byvoorbeeld dat 'n jakkalse se jas 'n droë bos is met chemiese "brande" wat oral uitbreek. Terselfdertyd werk brandbestrydingskemikalieë van 'n tweede tipe om hierdie brande omring en te bevat, en verlaat verkleurde kolle of plekke in die bont landskap.
Wat belangrik is, is dat die spoed van die brandbestryding inhibeerder chemikalieë vinniger moet wees as dié van die plek-skeppende aktiveerder chemiese vir patrone wat geskep moet word. Te stadig, en die aktiveerder chemikalie sal oorheers, wat lei tot eenvormige kleur.
Turing het twee vergelykings opgestel wat model watter soort patrone geproduseer sal word as beide die konsentrasie van die twee chemikalieë en die spoed waarteen hulle veranderinge diffundeer. Dit was egter ongelooflik moeilik om hierdie komplekse vergelykings op te los met die primitiewe rekenaarmasjiene rondom. Turing het die pynlike taak een maal aangepak en 'n dappled patroon gemaak wat op 'n koei se vel gelyk het.
Met behulp van moderne rekenaars het wetenskaplikes getoon dat Turing se vergelykings gebruik kan word om talloze tweedimensionele patrone wat in die natuurlike wêreld gesien word, te naboots, van vingerafdrukke en die kledingstukke om semi-droë landskappe.
{vembed Y = 5WGg1OkS8-4}
Dit is moeiliker om te wys dat die reaksies en bewegings van chemikalieë eintlik agter die skepping van die natuur se patrone is. Byvoorbeeld, ons kan nie kyk hoe die kolle van jagluiperds in die baarmoeder ontwikkel nie. Selfs die waarneming van die groeiende engel vis se merkwaardige patrone verander soos hulle ontwikkel van jong stadium tot volwassenheid bied nie bewys dat 'n dans van twee aktivator inhibeerchemikalieë by die werk is nie.
Onlangs alhoewel, Turingpatrone in haarfollikels, hoender vere, en tande-agtige haai "skale" is almal direk getoon om geproduseer te word deur die interaksie tussen 'n aktivator en 'n inhibitor chemiese.
Natuurlik is die natuur selde so eenvoudig as twee chemikalieë wat in isolasie wissel. Wetenskaplikes het nou Turing se teorie uitgebrei om meer komplekse stelsels te verduidelik mosselbeddens, wat vir honderde meter in 'n groot Turing-patroon strek, en op 'n kleiner skaal 'n heeltemal ander tipe patroon vertoon. 'N vier-chemiese weergawe van die teorie ook modelle akkuraat die vorming van riwwe in 'n vertebrate se mond.
Interessant genoeg, kan ons ook Turing se werk toepas op 'n hele reeks nie-visuele patrone. Byvoorbeeld, my navorsing ondersoek hoe ons dit gebruik om die grondpatroon van diere te modelleer. In plaas van om die konsentrasie en reaksies tussen chemikalieë te beskryf, het ons soortgelyke vergelykings gebruik om die waarskynlikheid van die ligging van individue te beskryf, en die interaksies tussen elke individu en sy omgewing.
Soos u kan voorstel, is die vergelykings dikwels baie kompleks, soos veelvoudige faktore beïnvloed 'n dier se beweging, van die geurmerke en fisiese teenwoordigheid van ander diere na die plek van prooi en selfs geheue.
Maar die bewegingspatrone voorspel deur vergelykings wat hierdie faktore modelle vergelyk verrassend goed tot die werklike beweging van diere in 'n gebied. Behalwe dat dit op sigself fassinerend is, kan navorsing soos hierdie kan help ons om te verstaan hoe veranderinge in die habitat van 'n spesie groter ekosisteme affekteer - wat baie belangrik kan wees in die lig van die bedreiging van uitwissing van klimaatverdeling, dui op honderde duisende spesies.
Hierdie metode van modellering van grondgebiedpatrone kan selfs uitgebrei word na menslike bevolkings. Byvoorbeeld, een stuk navorsing getoon dat die beweging van Los Angeles-bendelede akkuraat voorspel kan word deur vergelykings wat die sentrale ligging van hul bende en die graffiti-tags van ander bendes modelleer.
Miskien het selfs Turing nie net gedink hoeveel van die natuur se pragtige geheime sy hoofstuk sou ontsluit nie. En dit is nie net wiskundige biologie waaraan hy 'n beslissende bydrae gemaak het nie - ons het sy genie om te bedank soveel meer. Dankie Alan.
Oor die skrywer
Natasha Ellison, PhD Navorser, Universiteit van Sheffield
Hierdie artikel is gepubliseer vanaf Die gesprek onder 'n Creative Commons lisensie. Lees die oorspronklike artikel.
