Δεν χρειάζεται να καλέσετε την πυροσβεστική. rokopix / Shutterstock
Η έξοδος στη φύση μπορεί να μοιάζει με έναν κόσμο μακριά από μια τάξη μαθηματικών. Αλλά η ομορφιά που μας περιβάλλει έχει τάξη - και ένας από τους καλύτερους κωδικοποιητές στον κόσμο ήταν το κλειδί για να το ξεκλειδώσετε.
Ο Άλαν Τούρινγκ μπορεί να είναι πιο γνωστός για την αποκρυπτογράφηση γερμανικών μηνυμάτων που δημιουργήθηκαν από τη μηχανή αίνιγμα του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου. Αλλά το επιδραστική επιστήμονας σκέφτηκε την αλληλεπίδραση μεταξύ φύσης και μαθηματικών σε μεγάλο βάθος πριν από τον πρόωρο θάνατό του το 1954. Στην πραγματικότητα, του τελευταία δημοσίευση έγινε μια από τις ιδρυτικές θεωρίες της μαθηματικής βιολογίας, ένα θέμα αφιερωμένο στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν οι μηχανισμοί της φύσης βρίσκοντας εξισώσεις που τις περιγράφουν, από τον πληθυσμό των ειδών αλλάζει στον τρόπο ανάπτυξης καρκινικών όγκων
Ένα mbu pufferfish που φοράει ένα ιδιαίτερα μαγευτικό μοτίβο Turing. Dennis Jacobsen/Shutterstock
Ο Turing πρότεινε ότι δύο βιολογικές χημικές ουσίες που κινούνται και αντιδρούν μεταξύ τους με μαθηματικά προβλέψιμο τρόπο θα μπορούσαν να εξηγήσουν σχήματα και μοτίβα σε όλη τη φύση. Για παράδειγμα, φανταστείτε ότι το παλτό ενός τσίτα είναι ένα ξηρό δάσος με χημικές «φωτιές» να ξεσπούν παντού. Ταυτόχρονα, τα χημικά πυρόσβεσης δεύτερου τύπου λειτουργούν για να περιβάλλουν και να περιορίσουν αυτές τις φωτιές, αφήνοντας απανθρακωμένα μπαλώματα - ή κηλίδες - στο γούνινο τοπίο.
Είναι σημαντικό ότι η ταχύτητα της χημικής ουσίας αναστολέα πυρόσβεσης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από αυτή της χημικής ουσίας ενεργοποίησης σημείων για να δημιουργηθούν μοτίβα. Πολύ αργό, και το ενεργοποιητικό χημικό θα κυριαρχήσει, οδηγώντας σε ομοιόμορφο χρώμα.
Ο Τούρινγκ κατέληξε σε δύο εξισώσεις που μοντελοποιούν τι είδους μοτίβα θα δημιουργούνταν τόσο η συγκέντρωση των δύο χημικών όσο και η ταχύτητα με την οποία διαχέονται. Ωστόσο, ήταν εξαιρετικά δύσκολο να επιλυθούν αυτές οι περίπλοκες εξισώσεις με τους πρωτόγονους υπολογιστές εκείνη την εποχή. Ο Turing ανέλαβε την επίπονη εργασία κάποτε, παράγοντας ένα μοτίβο που μοιάζει με το δέρμα της αγελάδας.
Με τη βοήθεια σύγχρονων υπολογιστών, οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι οι εξισώσεις του Turing μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μιμούνται αμέτρητα δισδιάστατα μοτίβα που παρατηρούνται σε ολόκληρο τον φυσικό κόσμο, από δακτυλικά αποτυπώματα και την παλτά ζώων προς την ημι-άνυδρα τοπία.
{vembed Y=5WGg1OkS8-4}
Η απόδειξη ότι οι αντιδράσεις και οι κινήσεις των χημικών ουσιών είναι στην πραγματικότητα πίσω από τη δημιουργία των προτύπων της φύσης ήταν πιο δύσκολη. Για παράδειγμα, δεν μπορούμε να παρακολουθήσουμε πώς αναπτύσσονται οι κηλίδες των τσιτάχ στη μήτρα. Ακόμη και παρατηρώντας τα αξιοσημείωτα μοτίβα του αυξανόμενου αγγέλου ψαριού αλλάζουν καθώς αναπτύσσονται από το νεανικό στάδιο στην ενήλικη ζωή δεν παρέχει απόδειξη ότι ένας χορός δύο χημικών αναστολέων ενεργοποιητών λειτουργεί.
Πρόσφατα όμως, Μοτίβα Turing in θύλακες των τριχών, φτερά κοτόπουλου, να καρκίνος σαν δόντια έχουν αποδειχθεί όλα άμεσα ότι παράγονται από την αλληλεπίδραση μεταξύ ενός ενεργοποιητή και ενός χημικού αναστολέα.
Φυσικά, η φύση είναι σπάνια τόσο απλή όσο δύο χημικές ουσίες αλληλεπιδρούν μεμονωμένα. Οι επιστήμονες έχουν επεκτείνει τώρα τη θεωρία του Turing για να εξηγήσουν πιο περίπλοκα συστήματα όπως π.χ. μύδια κρεβάτια, που εκτείνεται για εκατοντάδες μέτρα σε ένα μεγάλο σχέδιο Turing, και εμφανίζει έναν εντελώς διαφορετικό τύπο μοτίβου σε μικρότερη κλίμακα. Μια τετραχημική έκδοση της θεωρίας επίσης μοντελοποιεί με ακρίβεια το σχηματισμός κορυφογραμμών στο στόμα σπονδυλωτών.
Είναι ενδιαφέρον ότι μπορούμε επίσης να εφαρμόσουμε το έργο του Turing σε μια ολόκληρη γκάμα μη οπτικών μοτίβων. Για παράδειγμα, η έρευνά μου εξερευνά πώς τα χρησιμοποιούμε για να μοντελοποιήσουμε τα πρότυπα εδάφους των ζώων. Αντί να περιγράψουμε τη συγκέντρωση και τις αντιδράσεις μεταξύ χημικών, χρησιμοποιήσαμε παρόμοιες εξισώσεις για να περιγράψουμε την πιθανότητα της θέσης των ατόμων και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ κάθε ατόμου και του περιβάλλοντός του.
Όπως μπορείτε να φανταστείτε, οι εξισώσεις είναι συχνά πολύ περίπλοκες, όπως πολλαπλοί παράγοντες επηρεάζουν την κίνηση ενός ζώου, από το σημάδια αρώματος και φυσική παρουσία άλλων ζώων στη θέση του θηράματος και ακόμη και της μνήμης.
Αλλά τα μοτίβα κίνησης που προβλέπονται από εξισώσεις που μοντελοποιούν αυτούς τους παράγοντες συγκρίνουν εκπληκτικά καλά στην πραγματική μετακίνηση των ζώων σε μια περιοχή. Εκτός από το ότι είναι συναρπαστικό από μόνο του, μπορεί να γίνει έρευνα όπως αυτό βοηθήστε μας να καταλάβουμε πώς οι αλλαγές στον βιότοπο ενός είδους επηρεάζουν ευρύτερα οικοσυστήματα - τα οποία θα μπορούσαν να είναι εξαιρετικά σημαντικά λαμβάνοντας υπόψη την απειλή εξαφάνισης του κλίματος που απειλείται για εκατοντάδες χιλιάδες είδη.
Αυτή η μέθοδος μοντελοποίησης μοτίβων περιοχών μπορεί ακόμη και να επεκταθεί σε ανθρώπινους πληθυσμούς. Για παράδειγμα, ένα κομμάτι της έρευνας έδειξε ότι η κίνηση των μελών της συμμορίας του Λος Άντζελες μπορεί να προβλεφθεί με ακρίβεια με εξισώσεις που διαμορφώνουν την κεντρική τοποθεσία της συμμορίας τους και τις ετικέτες γκράφιτι άλλων συμμοριών.
Ίσως ούτε ο Turing να φανταζόταν πόσα από τα όμορφα μυστικά της φύσης θα ξεκλειδώσει το σπερματικό του χαρτί. Και δεν είναι μόνο η μαθηματική βιολογία για την οποία συνέβαλε καθοριστικά - έχουμε την ευφυΐα να ευχαριστήσουμε τόσο πολύ περισσότερο. Ευχαριστώ Άλαν.
Σχετικά με το Συγγραφέας
Natasha Ellison, PhD Ερευνητής, Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ
Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
