密碼破譯者圖靈的理論解釋了鯊魚(yú)鱗片是如何形成圖案的

根據(jù)一項(xiàng)新的研究，60多年前第二次世界大戰(zhàn)的密碼學(xué)家艾倫圖靈(alan turing)提出的系統(tǒng)可以解釋鯊魚(yú)擁有的牙齒狀鱗片的模式。謝菲爾德大學(xué)動(dòng)植物科學(xué)系的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，圖靈的反應(yīng)擴(kuò)散理論——被廣泛認(rèn)為是老鼠毛發(fā)和雞毛的圖案化方法——也適用于鯊魚(yú)鱗片。這些發(fā)現(xiàn)可以解釋鯊魚(yú)鱗片的模式是如何進(jìn)化的，以減少游泳時(shí)的阻力，從而節(jié)省運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量?？茖W(xué)家認(rèn)為，研究模式可以幫助設(shè)計(jì)新的鯊魚(yú)靈感材料，以提高能源和運(yùn)輸效率。計(jì)算機(jī)老師圖靈提出了反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)，并于1952年發(fā)表，也就是他去世前兩年。他的方程描述了分子信號(hào)如何相互作用形成復(fù)雜的模式。

在今天(2018年11月7日)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一篇論文中，研究人員將鯊魚(yú)鱗片的模式與雞毛的模式進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)，羽毛模式化的相同核心基因也是鯊魚(yú)鱗片發(fā)育的基礎(chǔ)，并指出這些基因可能參與了其他不同脊椎動(dòng)物皮膚結(jié)構(gòu)(如刺和牙齒)的模式化。謝菲爾德大學(xué)(現(xiàn)為佛羅里達(dá)大學(xué))的加雷斯弗雷澤博士說(shuō)：“我們開(kāi)始研究雞以及它們是如何長(zhǎng)出羽毛的。我們發(fā)現(xiàn)這些優(yōu)秀的基因表達(dá)系列可以模擬這些斑點(diǎn)最終出現(xiàn)的位置。我們想也許鯊魚(yú)也做了類(lèi)似的事情，我們?cè)诒趁嬲业搅藘膳?，這就開(kāi)始了整個(gè)過(guò)程。

“我們與一位數(shù)學(xué)家合作，找出這種模式是什么，以及我們是否可以對(duì)其進(jìn)行建模。我們發(fā)現(xiàn)鯊魚(yú)皮的細(xì)節(jié)被一組方程精確映射，這組方程是數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和代碼解碼器艾倫圖靈提出的?！边@些方程描述了某些化學(xué)物質(zhì)在動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中是如何相互作用的，我們發(fā)現(xiàn)這些方程解釋了這些單位的模式。"

研究人員還展示了如何調(diào)整圖靈系統(tǒng)的輸入，以產(chǎn)生類(lèi)似于今天鯊魚(yú)和鰩魚(yú)物種的不同比例模型。他們認(rèn)為圖靈系統(tǒng)的自然變異可能使這些動(dòng)物中不同角色的進(jìn)化成為可能，包括提供減阻和防御裝甲。謝菲爾德大學(xué)的博士生羅里庫(kù)珀(Rory Cooper)說(shuō)：“鯊魚(yú)屬于一個(gè)古老的脊椎動(dòng)物群體，它與大多數(shù)其他下頜脊椎動(dòng)物已經(jīng)分離了很長(zhǎng)時(shí)間。研究它們的發(fā)育有助于我們了解脊椎動(dòng)物進(jìn)化過(guò)程中的皮膚結(jié)構(gòu)?！蔽覀兿胫揽刂七@些多樣化結(jié)構(gòu)如何形成模式的發(fā)展過(guò)程，以及促進(jìn)其各種功能的過(guò)程?！翱茖W(xué)家們使用了一系列技術(shù)，包括反應(yīng)擴(kuò)散模型，創(chuàng)建了一個(gè)基于圖靈方程的模擬，以證明他的系統(tǒng)可以解釋鯊魚(yú)比例模型并適當(dāng)調(diào)整參數(shù)。

庫(kù)珀補(bǔ)充說(shuō)：“多年來(lái)，科學(xué)家和工程師們一直在努力創(chuàng)造鯊魚(yú)皮材料，以減少人和車(chē)輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力，提高效率。”我們的研究結(jié)果有助于我們理解鯊魚(yú)鱗片是如何形成圖案的，這對(duì)實(shí)現(xiàn)減阻非常重要。因此，這項(xiàng)研究有助于我們理解這些減阻特性首先出現(xiàn)在鯊魚(yú)身上，以及它們?cè)诓煌锓N之間的變化。“圖案化是一個(gè)重要的方面，有助于減少一些鯊魚(yú)物種的阻力。另一個(gè)是個(gè)體鱗片的形狀。研究人員現(xiàn)在想研究不同鯊魚(yú)種類(lèi)內(nèi)部和之間形態(tài)變化的發(fā)展過(guò)程?！绷私膺@些因素如何有助于降低阻力，將有望生產(chǎn)出改進(jìn)的、可廣泛應(yīng)用的鯊魚(yú)式材料，從而降低阻力并節(jié)約能源，”庫(kù)珀補(bǔ)充道。

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