图灵的模式

在他短暂的一生是悲剧性的100年前,开始只阿兰·图灵写了一篇关于化学。两年前发表他的过早去世,它可以说是一个最具影响力的曾经来自一个局外人。

他本质上是一个纯粹的数学家,令人惊讶的是图灵曾说起化学。但没有人知道会发生什么。图灵的好奇心走远,他很容易发现之间的联系似乎最不同的问题和想法。

图灵表明化学反应可以创建模式。如果你把他指定的材料,他们可以分离成拟序的不同组合。图灵的化学模式形成理论,实验证明,看起来像解释各种谜题的最佳人选在生物学的发展,一些组织的自发分化形成的色素标记和叶子植物茎的模式。和他的自发模式方案相关以外的化学和生物化学:它被用以解释沙波纹形式,蚂蚁如何处置尸体,白蚁筑巢,为什么犯罪主要集中在“热点”。

打破对称

1912年出生在伦敦,阿兰·图灵是普遍以加密活动在Bletchley Park在第二次世界大战期间,特别是因破解谜代码使用的德国海军。这个敏感战时工作使当局特别警惕为同性恋活动图灵在1952年被起诉时,仍然犯罪。令人担心的是,他将容易受到敲诈,他吩咐承办的“纠正”激素疗法。尽管图灵据说承担这个残酷的句子逗乐坚韧,羞耻和物理效应似乎推动他自己的生命在1954年被咬成一个掺有氰化物的苹果——尽管有证据表明他的死可能是偶然的。

图灵的数学实力结合是一个创造性的思维,使他成为人工智能和计算理论的先驱。它本质上是一个数学问题,导致图灵认为关于化学模式。他想知道一个球相同的细胞在胚胎的早期阶段的增长可以发展成一个有机体具有不同的特性,所以,一些细胞变成四肢,一些眼睛,等等。betway必威游戏下载大全有机体的身体计划的出现被称为形态发生,这似乎是一个自发对称性破缺的例子:从统一到分化。

图灵提出胚胎成为图案与不同区域解剖命运由化学物质称为形态因子(字面意思为“shape-formers”),分散在细胞和组织。他是刻意模糊形态因子是什么——他们可能是激素,也许,或基因的化学性质,这一点仍知之甚少。关键是,他们相互扩散和反应:他的计划现在被称为一个反应扩散系统。图灵表明,在一定的理论条件下,形态因子相互作用可以产生斑纹图案组成的不同化学成分的斑点。

他意识到他的计划有广阔的生物学影响。例如,它可能占动物标记和植物叶子和小花的安排,叫叶序。然而,现在被泄漏出去,这种机制不对称断裂所需的受精卵。相反,对称是中断从一开始就由母亲的蛋白质扩散从一边的胚胎。然而,化学家在法国波尔多大学的帕特里克·德·凯普指出的那样,图灵的真正胜利的论文是表明“生物开发不需要活力论者原则——普通物理和化学法可以做这项工作。

这不是明显的密集数学讨论图灵的论文过程的关键因素是什么。变得明显在1972年发育生物学家汉斯•莱恩和阿尔弗雷德层面在图宾根的马克斯·普朗克病毒研究所、德国,设计了一个生物模式形成的理论而不知道图灵的工作。他们表明,固定化学模式可以带来两个相互作用的成分——相当于图灵的形态因子——如果他们有特定的特征。一个是“催化剂”,这是自催化,所以引入了正反馈。另一个是“抑制剂”,抑制了自催化反应的催化剂。至关重要的是,他们必须有不同的扩散率,更快的抑制剂。实际上,这意味着活化剂的self-amplification赶到当地的补丁,而抑制剂阻止另一个补丁增长太近了。当裁判的论文指出莱恩和层面图灵的工作,他们发现他的方程可以描述这种情况。

的基本原则我们发现帮助非常理解图灵的论文,”莱恩说。这也使它更容易理解更复杂的模式系统生物学。的模式形成专家菲利普•Maini生物学牛津大学,英国,表示赞同:“我不相信发生在1952年和1972年之间,当莱恩真的陷进这个问题。”

电脑计算的activator-inhibitor计划表明,泛型类型有两种:斑点和条纹。在这两种情况下,模式的特性都有大致相同的大小和间距。betway必威游戏下载大全理论上,图灵的模式可以是一个完美有序的晶格条纹的斑点或数组,但在实践中,随机缺陷中断这个完美,生产拟正则模式。马上很明显为什么图灵的理论看起来像一个好的候选人解释斑马的条纹和豹的斑点。

波澜

在其中的一个巧合,经常出现在科学实验证据的空间模式的组合化学反应和扩散被发现的时候,图灵是制定理论的标准。在苏联在1950年代,化学家鲍里斯Belousov偶然找到的鸡尾酒试剂之间来回振荡两种状态。他们似乎违反热力学第二定律,Belousov结果被解雇,他几乎无法发布。但在1960年代,他们被Anatoly Zhabotinsky探索,在莫斯科的一个生物化学研究生对葡萄糖代谢的节奏特征感兴趣。他发现Belousov的混合物的一种变体,红色和蓝色之间来回切换。

罚款的振荡是另一个结果的反应率和扩散之间的平衡在一个自催化过程。Belousov-Zhabotinsky反应两个分支之间的开关,涉及不同的反应中间体,其中每个排气通过失控的反馈,从而可以创建其他部门接管的条件。任其自生自灭,振荡最终消亡的中间体投降最终产品——这就是为什么没有真正的威胁到热力学定律。但如果反应在一个纯粹的解决方案,进行开关不会发生分身之术,但传播作为常规系列脉冲化学波,创造惊人的模式。

波的传播与感染或传播的森林大火,”莱恩解释说。必不可少的脉冲波的活动是一次波阵面通过,一个地区进入“难治性”期间不能支持另一个波状的激发——森林火灾的类比,这是树木再生所花费的时间。

这些化学波旅行不同于图灵的固定模式,但反应和扩散的一般原则是相同的。有什么不同的相对利率的成分扩散。两个系统之间的关系开始出现在1960年代末从这位化学家Ilya Prigogine和他的同事在比利时布鲁塞尔自由大学的。反应-扩散模式,Prigogine称为“耗散结构”,因为他们是靠能量耗散在非平衡过程中,形成了一个核心组件的工作在非平衡热力学Prigogine赢得了1977年诺贝尔化学奖。

慢动作

在1970年代早期,阻止这些系统开始工作。他和他的同事发现了一种方法来维持振荡化学反应控制距离远离热力学平衡,使用一种所谓的连续搅拌釜反应器允许一个恒定的直流反应物。

在1970年代,许多团体致力于生产图灵模式的振荡化学反应都是在做梦,”De凯普解释道。但尽管一些偶尔声称成功,模式总是变成了别的东西。然而德凯普偶然发现他们几乎是偶然。他正在调查一个振荡反应称为chlorite-iodide-malonic酸(CIMA)反应,这与Belousov-Zhabotinsky分享一些成分反应,在1985年,他和他的同事已经开始看空间模式在这个混合物。他们没想到实际图灵结构——但在1990年,当他们看到一群斑点出现在一条凝胶的试剂已从两边扩散,他们承认他们因为De扣留的同事雅克Boissonade已经预测真正的图灵1988年这种利用计算机计算的结构。“非常令人兴奋”,发现Maini说。的那个阶段,研究主题开始减弱,但这给了一个很好的提高。

这些模式的原因出现了CIMA反应被欧文·爱普斯坦解释说一年后,什阿帕德沃尔瑟姆,布兰代斯大学的我们。CIMA反应中的催化积极的反馈主要是由碘离子。但是反应使用淀粉作为碘的颜色指标形成的反应,碘会绑定到碘和淀粉,形成一个大型复杂,通过凝胶扩散缓慢。这个减速扩散的“催化剂”是为图灵的政权带来的反应动力学模式。德·凯普愉快地承认,这是一个纯粹的运气。三年前,他和他的同事Judit Horvath)和什Szalai描述了一个通用的方法,来创建图灵结构振动反应扩散系统中通过使用相同的把戏络合的减速正反馈代理。

在野外

图灵的斑点和条纹在实验室是一回事,但他们是在生物学吗?在1980年代,莱恩和数学生物学家詹姆斯·默里在西雅图华盛顿大学,独立工作表明,图灵的理论提供了一个合理的解释为广泛的动物色素模式,从斑马长颈鹿贝壳。形态因子的想法是打开或关闭基因通路刺激色素的生产——在哺乳动物皮肤,黑色素的生成从茶色颜色为黑色。

最近,Maini和他的同事们已经表明,两个耦合activator-inhibitor过程可以产生破环捷豹的标记特征,而Maini合作者Sy-Sang Liaw在台湾国立中兴大学已经证明了图灵计划实现的曲面壳瓢虫可以生产模式看起来非常像那些在自然。

敲定证明动物色素模式确实是图灵模式识别所涉及的形态因子。尽管没有人成功地这样做,还有其他类型的生物模式我们似乎接近可能的生化制剂的过程。2006年,托马斯·Schlake德国弗莱堡大学和他的同事发现,老鼠的毛囊安排的激活和抑制的过程。他们建议一种叫做Wnt的蛋白质是卵泡形成的催化剂,而蛋白质属于一个类一般称为Dkk Wnt作为抑制剂。Schlake和他的同事们研究发现,基因突变小鼠产生shh蛋白异常大量卵泡发展模式相匹配的那些预测理论从Turing-style activator-inhibitor扩散模型和交互的Wnt和消退。

同时,莱恩与鸟类学家理查德•普鲁姆耶鲁大学纽黑文,美国,表明鸟类羽毛的周期性倒刺可以解释如果一个基因的蛋白质产物被称为音猬因子(嘘)——一个共同模式的基因在许多物种-行为作为活化剂,骨形态发生蛋白2是一种抑制剂。通过这些组件之间的交互,制服上皮发展中羽芽变得分成一系列stripe-like山脊,预示其分拆成不同的冷嘲热讽。最近,发育生物学家杰里米•绿色伦敦大学国王学院,英国,和他的合作者已经表明,哺乳动物的定期间隔的脊调色板似乎安排嘘Turing-type反应扩散机制涉及蛋白质和纤维母细胞生长因子抑制剂和激活剂。

沙子,墓地和犯罪

通用图灵机的条纹像连锁模式在风积砂。这可能是巧合。莱恩哈特指出,在根,这些沙子模式的形成是11活化-抑制系统类似情形。的土堆和脊砂是由沉积形成的风积谷物。岭变大,它能增强自己的经济增长通过捕获更多的沙子从空气中。但在这一过程中,它作为一个水槽,把沙子从风和抑制附近的波纹的形成。这两个过程之间的平衡之间建立一个大致恒定的平均距离涟漪。

反馈参与复制、竞争和捕食可能在动物社会建立Turing-type模式。西班牙在巴塞罗那的庞裴法布拉大学物理学家Ricard唯一和他的同事认为,这可能解释破碎在海里的浮游动物和浮游植物在吃草。和盖特洛拉兹图卢兹和保罗Sabatier大学的同事发现,某些地中海蚂蚁堆其它蚂蚁的尸体“墓地”,可以被认为是图灵的结构。法国研究人员怀疑类似的机制可能是许多栖息地的形成和分组的其他方面,如鸟巢建筑,在高等生物。

甚至人类社会,由社会反馈行为和运动,自我组织成图灵模式。的含义理论由美国数学家马丁短的加州大学,洛杉矶,和他的同事解释犯罪热点地区的经过证实的现象:地区犯罪率的反常地高。短的模式“扩散”罪犯和潜在受害者产生热点地区由于当地激活的竞争(犯罪滋生更多的犯罪)和远程抑制(警察)。

很难猜,图灵的模式可能会出现。这个想法,他孵出60年前,好像从一个受精卵,证明了惊人的肥沃的,因为它是自然界的一个普遍的模式构成的策略。