Du trenger ikke å ringe brannvesenet. rokopix / Shutterstock
Å komme ut i naturen kan virke som en verden borte fra et matte klasserom. Men skjønnheten som omgir oss har ordre - og en av verdens beste codebreakers var nøkkelen til å låse opp den.
Alan Turing kan være best kjent for dekryptering av tyske meldinger opprettet av deres gåte maskin i andre verdenskrig. Men innflytelsesrik forsker tenkte på samspillet mellom natur og matematikk i god dybde før hans tidlige død i 1954. Faktisk hans sist publisert papir ble en av grunnleggende teorier om matematisk biologi, et emne viet til å forstå hvordan naturens mekanismer virker ved å finne likninger som beskriver dem, fra artens befolkning endres til måten kreftvoksene vokser.
En mbu pufferfish har et spesielt fascinerende Turing mønster. Dennis Jacobsen / Shutterstock
Turing foreslo at to biologiske kjemikalier som beveger seg og reagerer med hverandre på en matematisk forutsigbar måte, kunne forklare former og mønstre over naturen. For eksempel, tenk at en cheetahs frakk er en tørr skog med kjemiske "branner" som bryter ut over alt. Samtidig arbeider brannslukkende kjemikalier av en annen type for å omslutte og inneholde disse brannene, og etterlater forbrente flekker - eller flekker - i det furrige landskapet.
Det er viktig at hastigheten til brannslokkingshemmet kjemikaliet må være raskere enn det som er laget for å skape spotaktive kjemikalier for mønstre som skal opprettes. For sakte, og aktivatorkemikaliet vil dominere, noe som fører til ensartet farge.
Turing kom opp med to likninger som modell hvilke typer mønstre som ville bli produsert som både konsentrasjonen av de to kjemikaliene og den hastigheten som de diffunderer endringer på. Det var imidlertid utrolig vanskelig å løse disse komplekse ligningene med de primitive databehandlingsmaskinene rundt på den tiden. Turing utførte den omhyggelige oppgaven en gang skjønt, og produserte et dappled mønster som lignet en kuas hud.
Med hjelp av moderne datamaskiner har forskere vist at Turing's ligninger kan brukes til å etterligne utallige todimensjonale mønstre sett over hele verden, fra fingeravtrykk og strøk av dyr til semi-tørre landskap.
{vembed Y = 5WGg1OkS8-4}
Viser at reaksjoner og bevegelser av kjemikalier faktisk er bak skapelsen av naturens mønstre, var vanskeligere. For eksempel kan vi ikke se hvordan spettene av cheetahs utvikler seg i livmor. Selv observere den voksende engelfiskens bemerkelsesverdige mønstre endre når de utvikler seg fra ungdomsstadiet til voksenlivet gir ikke bevis på at en dans av to aktivatorhemmerkemikalier er på jobb.
Nylig skjønt Turing mønstre in hårsekk, kyllingfjærog tannlignende hai "skalaer" har alle direkte blitt vist å bli produsert av samspillet mellom en aktivator og en inhibitor kjemikalie.
Naturligvis er naturen sjelden så enkel som to kjemikalier interagerer i isolasjon. Forskere har nå utvidet Turings teori for å forklare mer komplekse systemer som musling senger, som strekker seg i hundrevis av meter i et stort Turing-mønster, og viser en helt annen type mønster i mindre skala. En fire-kjemisk versjon av teorien også nøyaktig modellerer dannelse av rygger i en vertebrat munn.
Interessant kan vi også bruke Turings arbeid på en rekke ikke-visuelle mønstre. For eksempel, min forskning utforsker hvordan vi bruker dem til å modellere dyrets territorium mønstre. I stedet for å beskrive konsentrasjonen og reaksjonene mellom kjemikalier, har vi brukt lignende likninger for å beskrive sannsynligheten for hvor enkeltpersoner befinner seg, og samspillet mellom hver enkelt person og dets miljø.
Som du kan forestille deg, er ligningene ofte svært komplekse, som flere faktorer påvirke et dyrs bevegelse, fra duft merker og fysisk tilstedeværelse av andre dyr til stedet for byttedyr og jevnminne.
Men bevegelsesmønstrene spådd av ligninger som modellerer disse faktorene, sammenligner overraskende bra til selve bevegelsen av dyr i et område. I tillegg til å være fascinerende i seg selv, kan forskning som dette Hjelp oss å forstå hvordan endringer i habitatene til en art påvirker bredere økosystemer - noe som kan være svært viktig vurderer trusselen om utryddelse av klimaforstyrrelser utgjør hundretusener av arter.
Denne metoden for modellering av territoriummønstre kan til og med utvides til menneskelige befolkninger. For eksempel, et stykke forskning viste at bevegelsen av Los Angeles gjengemedlemmer kan presiseres nøyaktig av ligninger som modellerer den sentrale plasseringen av gjengen og graffiti-kodene til andre gjenger.
Kanskje ikke engang Turing ville ha forestilt seg hvor mange av naturens vakre hemmeligheter hans seminalpapir ville låse opp. Og det er ikke bare matematisk biologi som han laget et definerende bidrag til - vi har hans geni til å takke for så mye mer. Takk Alan.
om forfatteren
Natasha Ellison, PhDforsker, University of Sheffield
Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.
