세계에서 가장 유명한 코드 위반자가 자연의 아름다움의 비밀을 어떻게 풀어 냈는지

과학 소방대에 전화 할 필요가 없습니다. rokopix / Shutterstock

자연으로 나가는 것은 수학 교실에서 멀리 떨어진 세상처럼 보일 수 있습니다. 그러나 우리를 둘러싸고있는 아름다움은 질서를 가지고 있습니다. 그리고 세계 최고의 코드 분리기 중 하나가 그것을 해독하는 열쇠였습니다.

Alan Turing은 제 2 차 세계 대전에서 자신의 수수께끼 기계로 만든 독일어 메시지를 해독 한 것으로 잘 알려져 있습니다. 하지만 영향력있는 과학자 1954에서 불의의 죽음에 앞서 자연과 수학의 상호 작용에 대해 깊이 생각했다. 사실, 그의 마지막으로 출판 된 논문 종양 개체수 변화에서부터 암 종양이 성장하는 방식에 이르기까지 자연의 메커니즘이 어떻게 작용 하는지를 이해하는 데 전념 한 수학 생물학의 창립 이론 중 하나가되었습니다.

과학 특히 매혹적인 튜링 패턴을 입은 mbu 복어. 데니스 야콥 센 / Shutterstock

튜링 (Turing)은 수학적으로 예측 가능한 방식으로 서로 움직이고 반응하는 두 가지 생물학적 화학 물질이 자연을 통해 형태와 패턴을 설명 할 수 있다고 제안했습니다. 예를 들어, 치타의 코트가 마른 숲이며 화학 물질 인 "불"이 온통 튀어 나와 있다고 상상해보십시오. 동시에 두 번째 유형의 소방 화학 물질은 모닥불 모양의 딱딱한 곳에서 탄화물 또는 얼룩을 남겨두고 이러한 화재를 감싸고 포함합니다.

중요하게, 소방 억제제 화학 물질의 속도는 생성 될 패턴을위한 점 생성 활성제 화학 물질의 속도보다 빨라야합니다. 너무 느려서 활성제 화학 물질이 우세하여 균일 한 색상이됩니다.

Turing은 두 가지 화학 물질의 농도와 변화를 확산시키는 속도 모두로 어떤 종류의 패턴이 만들어 질지를 모델화하는 두 가지 방정식을 제시했습니다. 그러나 당시 원시 컴퓨팅 머신으로 이러한 복잡한 방정식을 푸는 것은 엄청나게 어려웠습니다. 튜링 (Turing)은 한 번만 힘겨운 작업을 수행하여 암소의 피부와 비슷한 칙칙한 패턴을 만들어 냈습니다.

현대 컴퓨터의 도움으로 과학자들은 Turing의 방정식을 사용하여 자연 세계에서 볼 수있는 수많은 2 차원 패턴을 모방하는 데 사용할 수 있음을 보여주었습니다. 지문 그리고 동물의 외투반 건조 지형.

실제로 화학 물질의 반응과 움직임이 자연의 패턴을 만드는 것보다 더 어렵다는 것을 보여주는 것은 더욱 어렵습니다. 예를 들어 우리는 치타의 반점이 자궁에서 어떻게 발생 하는지를 볼 수 없습니다. 성장하는 천사 물고기의 놀라운 패턴을 관찰합니다. 그들이 변화함에 따라 변화한다. 청소년기부터 성인기까지는 두 가지 활성제 억제제 화학 물질의 춤이 효과가 있다는 증거를 제시하지 못합니다.

최근에는, 튜링 패턴 in 모낭, 닭 깃털치아 같은 상어 "비늘" 모두 활성제와 억제제 화학 물질 사이의 상호 작용에 의해 직접 생성 된 것으로 나타났다.

물론 자연은 고립되어 상호 작용하는 두 가지 화학 물질만큼이나 간단합니다. 과학자들은 Turing의 이론을 확장하여 다음과 같은보다 복잡한 시스템을 설명합니다. 홍합 침대대형 Turing 패턴에서 수 백 미터까지 확장되며 더 작은 스케일에서 완전히 다른 유형의 패턴을 표시합니다. 4 화학 버전의 이론은 또한 융기의 형성 척추 입안에.

흥미롭게도 Turing의 작업을 모든 비 시각적 패턴에 적용 할 수 있습니다. 예를 들어, 내 연구 우리가 동물의 영토 패턴을 모델화하는 데 어떻게 사용 하는지를 탐구합니다. 화학 물질 간의 농도와 반응을 묘사하는 대신, 우리는 개인의 위치 확률과 각 개인과 환경 간의 상호 작용을 설명하기 위해 비슷한 방정식을 사용했습니다.

상상할 수 있듯이 방정식은 종종 매우 복잡합니다. 여러 요인들 동물의 움직임에 영향을 미친다. 향기 먹이와 심지어 기억의 위치에 다른 동물의 육체적 인 존재.

그러나이 요인들을 모델링하는 방정식에 의해 예측 된 운동 패턴은 의외로 잘 한 지역에서 실제로 움직이는 동물에 이르기까지. 스스로 매력적 일뿐만 아니라 이와 같은 연구는 우리가 이해할 수 있도록 종의 서식지 변화가 더 넓은 생태계에 어떻게 영향을 미치는지 - 이는 수십만 종에 이르는 멸종 위기의 파급 위협을 고려할 때 매우 중요 할 수 있습니다.

영역 패턴을 모델링하는이 방법은 심지어 인간 집단까지 확장 될 수 있습니다. 예를 들어, 한 연구 보여 로스 앤젤레스 갱단 구성원의 움직임은 갱단의 중앙 위치와 다른 갱단의 낙서 태그를 모델로하는 방정식에 의해 정확하게 예측 될 수 있습니다.

아마도 튜링 (Turing)조차도 그의 정액 종이가 풀어 낼 자연의 아름다운 비밀 중 얼마나 많은 것을 상상했을 것입니다. 그리고 그가 정의적인 공헌을 한 것은 수학적 생물학 뿐만이 아닙니다. 우리는 그의 천재성에 감사드립니다. 훨씬 더 많이. 고마워 앨런.대화

저자에 관하여

Natasha Ellison, PhD 연구원, 셰필드 대학

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