世界上最著名的密碼破解者如何解開自然之美的秘密

科學 無需致電消防隊。 rokopix /存在Shutterstock

走出大自然似乎遠離數學課堂。 但是,我們周圍的美麗有秩序 - 世界上最好的密碼破譯者之一是解鎖它的關鍵。

阿蘭·圖靈可能因解密第二次世界大戰中他們的謎機所創造的德國信息而聞名。 但是 有影響力的科學家 在1954中不幸逝世之前,他深入思考了自然與數學之間的相互作用。 事實上,他的 最後發表的論文 成為數學生物學的創始理論之一,通過尋找描述它們的方程式,從物種種群變化到癌症腫瘤生長方式,致力於理解自然機制如何發揮作用的主題。

科學 一種mbu河豚,穿著特別令人著迷的圖靈圖案。 Dennis Jacobsen / Shutterstock

圖靈提出,兩種生物化學物質以數學上可預測的方式相互移動和反應,可以解釋自然界的形狀和模式。 例如,想像一下獵豹的外套是一片乾燥的森林,化學“火”爆發了。 同時,第二種類型的消防化學品圍繞並包含這些火災,在毛茸茸的景觀中留下燒焦的斑塊或斑點。

重要的是,消防抑製劑化學品的速度必須快於產生斑點的活化劑化學品的速度。 太慢,活化劑化學物質占主導地位,導致顏色均勻。

圖靈提出了兩個方程式,它們模擬了兩種化學物質的濃度和它們擴散變化的速度。 然而,用當時的原始計算機解決這些複雜的方程是非常困難的。 圖靈確實承擔了一項艱苦的任務,產生了一種類似於牛皮的斑駁圖案。

在現代計算機的幫助下,科學家們已經證明,圖靈的方程可以用來模仿自然界中無數的二維模式,從 指紋大衣的動物半乾旱景觀.

表明化學物質的反應和運動實際上是自然模式創造的背後更加困難。 例如,我們無法觀察獵豹在子宮中的發育情況。 甚至觀察不斷增長的天使魚的非凡圖案 隨著他們的發展而改變 從青少年階段到成年期並不能證明兩種活化抑製劑化學物質的舞蹈在起作用。

最近, 圖靈模式 in 毛囊, 雞毛牙齒般的鯊魚“鱗片” 所有這些都直接表明是由活化劑和抑製劑化學物質之間的相互作用產生的。

當然,自然界很少像兩種化學物質相互作用那麼簡單。 科學家現在已經將圖靈的理論擴展到解釋更複雜的系統,如 貽貝床,以大圖靈圖案延伸數百米,並以較小的比例顯示完全不同類型的圖案。 理論的四化學版本也準確地模擬了 形成山脊 在脊椎動物的嘴裡。

有趣的是,我們也可以將圖靈的作品應用於各種非視覺模式。 例如, 我的研究 探討我們如何使用它們來模擬動物的領土模式。 我們沒有描述化學物質之間的濃度和反應,而是使用類似的方程來描述個體位置的概率,以及每個個體與其環境之間的相互作用。

你可以想像,方程通常非常複雜,如 多種因素 影響動物的運動 香味 和其他動物的物理存在到獵物甚至記憶的位置。

但是通過模擬這些因素的方程預測的運動模式相比較 出乎意料的好 一個地區動物的實際運動。 除了本身很吸引人之外,這樣的研究也可以 幫助我們理解 物種棲息地的變化如何影響更廣泛的生態系統 - 考慮到滅絕氣候破壞對數十萬物種的威脅,這可能非常重要。

這種對領土模式進行建模的方法甚至可以擴展到人口。 例如,一項研究 顯示 洛杉磯幫派成員的行動可以通過模擬他們團伙的中心位置和其他幫派的塗鴉標籤的方程式來準確預測。

甚至連圖靈都不會想到他的開創性論文會釋放多少大自然的美麗秘密。 而且他不僅僅是數學生物學,他還做出了明確的貢獻 - 我們有他的天才值得感謝 這麼多。 謝謝艾倫。談話

關於作者

Natasha Ellison,博士研究員, 謝菲爾德大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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