Codebreaker图灵的理论解释了鲨鱼鳞片是如何形成图案的

根据一项新的研究,60多年前第二次世界大战的密码破解者艾伦·图灵提出的系统可以解释鲨鱼所具有的牙齿状鳞片的模式。

谢菲尔德大学动植物科学系的科学家们发现,图灵的反应扩散理论 - 被广泛认为是小鼠毛和鸡毛的图案化方法 - 也适用于鲨鱼鳞片。

这些发现可以解释鲨鱼鳞片的模式如何演变以减少游泳时的阻力,从而在运动过程中节省能量。科学家认为,研究图案可能有助于设计新的鲨鱼灵感材料,以提高能源和运输效率。

计算机的前任图灵提出了反应扩散系统,该系统于他去世前两年于1952年出版。他的方程描述了分子信号如何相互作用以形成复杂的模式。

在今天(2018年11月7日)发表在“科学进展”杂志上的论文中,研究人员比较了鲨鱼鳞片与鸡毛的图案。

他们发现羽毛图案化的相同核心基因也是鲨鱼鳞片发展的基础,并表明这些基因可能参与其他不同脊椎动物皮肤结构(如刺和牙齿)的模式化。

谢菲尔德大学以前现在佛罗里达大学的Gareth Fraser博士说:“我们开始研究小鸡以及它们如何发展它们的羽毛。我们发现了这些基因表达非常好的线条,它们最终出现了这些斑点的位置。我们认为也许鲨鱼做了类似的事情,我们在背面发现了两排,这开始了整个过程。

“我们与一位数学家合作,弄清楚这种模式是什么,以及我们是否可以对其进行建模。我们发现鲨鱼皮的细齿通过一组方程式精确地构图,这是Alan Turing--数学家,计算机科学家和代码破坏者 - - 想出了。

“这些方程描述了某些化学物质在动物发育过程中如何相互作用,我们发现这些方程解释了这些单位的模式。”

研究人员还展示了如何调整图灵系统的输入可以产生与今天鲨鱼和射线物种相似的不同尺度模式。

他们认为图灵系统的自然变异可能使这些动物内不同性状的进化成为可能,包括提供减阻和防御装甲。

罗里·库珀,博士生在英国谢菲尔德大学,说:“鲨鱼属于一个古老的脊椎动物组,与大多数其他有颚脊椎动物阔别研究他们的发展给了我们什么样的皮肤结构可能看起来像在脊椎动物进化早期的想法。

“我们想要了解控制这些不同结构如何形成图案的发展过程,以及促进其各种功能的过程。”

科学家们使用了一系列技术,包括反应扩散模型,创建了一个基于图灵方程的模拟,以证明他的系统可以解释鲨鱼比例模式,适当调整参数。

Cooper先生补充说:“多年来,科学家和工程师一直在努力创造鲨鱼皮材料,以减少人员和车辆在运动过程中的阻力并提高效率。

“我们的研究结果有助于我们了解鲨鱼鳞片是如何形成图案的,这对于实现减阻功能至关重要。

因此,这项研究有助于我们了解这些减阻特性首先出现在鲨鱼中,以及它们如何在不同物种之间发生变化。“

图案化是有助于实现某些鲨鱼物种减阻的一个重要方面。另一种是个体鳞片的形状。研究人员现在想要研究不同鲨鱼物种内部和之间形态变化的发育过程。

“理解这些因素如何有助于减少阻力,将有望导致生产改进的,广泛适用的鲨鱼风格材料,能够减少阻力并节约能源,”Cooper先生补充道。