Tidak perlu memanggil pasukan bomba. rokopix / shutterstock
Melangkah ke alam semula jadi mungkin kelihatan jauh dari kelas matematik. Tetapi keindahan yang mengelilingi kita mempunyai perintah - dan salah satu codebreakers terbaik di dunia adalah kunci untuk membuka kunci itu.
Alan Turing mungkin terkenal kerana menyalin mesej Jerman yang dicipta oleh mesin enigma mereka dalam Perang Dunia II. Tetapi saintis berpengaruh berfikir tentang interaksi antara alam dan matematik dalam kedalaman yang sangat mendalam sebelum kematiannya di 1954. Malah, beliau kertas terbitan terakhir menjadi salah satu teori pengasas biologi matematik, suatu subjek yang ditumpukan untuk memahami bagaimana mekanisme sifat berfungsi dengan mencari persamaan yang menggambarkannya, dari populasi spesies yang berubah menjadi cara tumor kanser berkembang.
Sebuah pufferfish yang memakai corak Turing yang sangat memukau. Dennis Jacobsen / Shutterstock
Turing mencadangkan bahawa dua bahan kimia biologi bergerak dan bertindak balas antara satu sama lain dengan cara yang boleh diprediksi secara matematik dapat menjelaskan bentuk dan corak seluruh alam. Sebagai contoh, bayangkan bahawa kot cheetah adalah hutan kering dengan bahan kimia "kebakaran" pecah seluruhnya. Pada masa yang sama, bahan kimia pemadam kebakaran jenis kedua berfungsi untuk mengelilingi dan memuat kebakaran ini, meninggalkan tompok-tompok yang hangus atau bintik-bintik - dalam landskap berbulu.
Yang penting, kelajuan bahan pencegah memadam kebakaran mesti lebih cepat daripada kimia pencipta tempat untuk membuat corak. Terlalu lambat, dan kimia penggerak akan menguasai, yang membawa kepada warna seragam.
Turing menghasilkan dua persamaan yang memperlihatkan jenis corak apa yang akan dihasilkan kerana kedua-dua kepekatan kedua-dua bahan kimia dan kelajuan di mana mereka meresap perubahan. Walau bagaimanapun, adalah sangat sukar untuk menyelesaikan persamaan kompleks dengan mesin pengkomputeran primitif pada masa itu. Turing melakukan tugas yang sungguh-sungguh sekaligus, menghasilkan pola corak yang menyerupai kulit lembu.
Dibantu oleh komputer moden, saintis telah menunjukkan bahawa persamaan Turing boleh digunakan untuk meniru banyak corak dua dimensi yang dilihat di seluruh dunia semulajadi, dari cap jari dan juga kot haiwan kepada landskap separa gersang.
{vembed Y = 5WGg1OkS8-4}
Menunjukkan bahawa reaksi dan pergerakan bahan kimia sebenarnya di sebalik penciptaan corak alam semula jadi adalah lebih sukar. Sebagai contoh, kita tidak dapat melihat bagaimana bintik-bintik cheetah berkembang pada rahim. Malah memerhatikan corak luar biasa ikan malaikat yang semakin meningkat perubahan semasa mereka berkembang dari peringkat remaja hingga dewasa tidak memberikan bukti bahawa tarian dua bahan kimia inhibitor penggerak sedang bekerja.
Baru-baru ini, Corak Turing in folikel rambut, bulu ayam, dan jerung seperti gigi "skala" semua telah terbukti secara langsung dihasilkan oleh interaksi antara aktivator dan bahan penceroboh.
Sudah tentu, alam semulajadi jarang semudah dua bahan kimia berinteraksi secara berasingan. Para saintis kini telah memperluaskan teori Turing untuk menerangkan sistem yang lebih kompleks seperti katil kerang, yang memanjangkan ratusan meter dalam corak Turing yang besar, dan memaparkan corak jenis yang sama sekali berbeza pada skala yang lebih kecil. Satu versi kimia empat-kimia juga model dengan tepat pembentukan rabung dalam mulut vertebrata.
Menariknya, kami juga boleh menggunakan karya Turing untuk pelbagai corak bukan visual. Sebagai contoh, kajian saya meneroka bagaimana kita menggunakannya untuk memodelkan pola ternakan haiwan. Daripada menggambarkan kepekatan dan tindak balas antara bahan kimia, kita telah menggunakan persamaan yang sama untuk menggambarkan kebarangkalian lokasi individu, dan interaksi antara setiap individu dan persekitarannya.
Seperti yang anda boleh bayangkan, persamaan sering sangat kompleks, seperti pelbagai faktor mempengaruhi pergerakan haiwan, dari tanda bau dan kehadiran fizikal haiwan lain ke lokasi mangsa dan memori.
Tetapi corak pergerakan yang diramalkan oleh persamaan yang memodelkan faktor-faktor ini mengejutkan dengan baik kepada pergerakan sebenar haiwan di kawasan. Selain menarik diri sendiri, penyelidikan seperti ini boleh membantu kita memahami bagaimana perubahan dalam habitat spesies menjejaskan ekosistem yang lebih luas - yang boleh menjadi sangat penting memandangkan ancaman pemusnahan iklim kepupusan menimbulkan beratus-ratus ribu spesies.
Kaedah pemodelan corak wilayah juga boleh diperluaskan kepada populasi manusia. Contohnya, satu penyelidikan menunjukkan bahawa pergerakan anggota geng Los Angeles boleh diprediksi dengan tepat oleh persamaan yang memodelkan lokasi pusat kumpulan mereka dan tag grafiti kumpulan lain.
Mungkin bahkan Turing tidak akan membayangkan betapa banyak rahsia alam semulajadi yang diterbitkannya. Dan ia bukan hanya biologi matematik yang mana dia membuat sumbangan yang menentukan - kami mempunyai genius untuk berterima kasih lebih banyak lagi. Terima kasih Alan.
Mengenai Penulis
Natasha Ellison, PhD Researcher, University of Sheffield
Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.
