كيف الأكثر شهرة في العالم codebreaker فتح أسرار الطبيعة الجمال

علم لا حاجة لاستدعاء فرقة الإطفاء. rokopix / شترستوك

قد يبدو الخروج إلى الطبيعة عالماً بعيدًا عن فصل الرياضيات. لكن الجمال الذي يحيط بنا لديه نظام - وكان أحد أفضل كتاب الشفرات في العالم هو المفتاح لإلغاء قفله.

ربما يكون Alan Turing معروفًا بفك تشفير الرسائل الألمانية التي أنشأتها آلة لغزهم في الحرب العالمية الثانية. لكن ال عالم مؤثر فكر في التفاعل بين الطبيعة والرياضيات بعمق كبير قبل وفاته المفاجئة في 1954. في الواقع ، له آخر ورقة منشورة أصبحت واحدة من النظريات التأسيسية لعلم الأحياء الرياضي ، وهو موضوع مكرس لفهم كيفية عمل آليات الطبيعة من خلال إيجاد معادلات تصفها ، من التغيرات في الأنواع إلى طريقة نمو الأورام السرطانية.

علم سمكة نفخة mbu ترتدي نمط تورينج الساحر بشكل خاص. دينيس جاكوبسن / شترستوك

اقترح تورينج أن اثنين من المواد الكيميائية البيولوجية تتحرك وتتفاعل مع بعضها البعض بطريقة يمكن التنبؤ بها رياضيا يمكن أن تفسر الأشكال والأنماط عبر الطبيعة. على سبيل المثال ، تخيل أن معطف الفهد هو غابة جافة مع "حرائق" كيميائية تندلع في كل مكان. وفي الوقت نفسه ، تعمل مواد كيميائية لمكافحة الحرائق من النوع الثاني على تطويق هذه الحرائق واحتوائها ، تاركة بقع متفحمة - أو بقع - في منظر فروي.

الأهم من ذلك ، يجب أن تكون سرعة المادة الكيميائية المثبطة لمقاومة إطفاء الحرائق أسرع من سرعة المادة الكيميائية المنشّطة للبقعة لإنشاء الأنماط. بطيء جدًا ، وستهيمن المادة الكيميائية المنشّطة ، مما يؤدي إلى لون موحد.

جاء تورينج بمعادلتين تقومان بتصوير أنواع الأنماط التي سيتم إنتاجها على حد سواء حيث تركز كل من المواد الكيميائية والسرعة التي تنشر بها التغييرات. ومع ذلك ، كان من الصعب للغاية حل هذه المعادلات المعقدة مع آلات الحوسبة البدائية في ذلك الوقت. قام تورينج بالمهمة المضنية ذات مرة ، مما أدى إلى نمط منقوش يشبه جلد البقر.

بمساعدة من الحواسيب الحديثة ، أظهر العلماء أنه يمكن استخدام معادلات تورينج لمحاكاة عدد لا يحصى من الأنماط ثنائية الأبعاد التي شوهدت في جميع أنحاء العالم الطبيعي ، من بصمات و ال معاطف الحيوانات إلى المناظر الطبيعية شبه القاحلة.

كان إظهار أن تفاعلات وحركات المواد الكيميائية وراء إنشاء أنماط الطبيعة أصعب. على سبيل المثال ، لا يمكننا مشاهدة كيف تتطور بقع الفهود في الرحم. حتى مراقبة أنماط الأسماك الملاك المتنامية تغيير لأنها تتطور من مرحلة الأحداث إلى مرحلة البلوغ لا يقدم دليلاً على أن رقص اثنين من المواد الكيميائية المثبطة للمثبط يعمل.

في الآونة الأخيرة ، أنماط تورينج in بصيلات الشعر, ريش الدجاجو قرش شبيه بالأسنان تم إثبات أن جميعها تنتج مباشرة عن طريق التفاعل بين المنشط ومادة كيميائية مثبطة.

بطبيعة الحال ، نادراً ما تكون الطبيعة بسيطة مثل تفاعل مادتين كيميائيتين في عزلة. وسع العلماء الآن نظرية تورينج لشرح أنظمة أكثر تعقيدًا مثل أسرة بلح البحر، والتي تمتد لمئات الأمتار بنمط تورينج الكبير ، وتعرض نوعًا مختلفًا تمامًا من النمط على نطاق أصغر. وهناك أربعة الكيميائية نسخة من نظرية أيضا بدقة نماذج تشكيل التلال في فم الفقاريات.

ومن المثير للاهتمام ، يمكننا أيضًا تطبيق عمل تورينج على مجموعة كاملة من الأنماط غير المرئية. فمثلا، بحثي يستكشف كيف نستخدمها لنمذجة أنماط أراضي الحيوانات. بدلاً من وصف التركيز وردود الفعل بين المواد الكيميائية ، استخدمنا معادلات مماثلة لوصف احتمال موقع الأفراد والتفاعلات بين كل فرد وبيئته.

كما يمكنك أن تتخيل ، المعادلات غالبا ما تكون معقدة للغاية ، كما عوامل متعددة تؤثر على حركة الحيوان ، من علامات رائحة والوجود المادي للحيوانات الأخرى إلى موقع الفريسة وحتى الذاكرة.

لكن أنماط الحركة التي تنبأت بها المعادلات التي تقارن هذه العوامل جيد بشكل مدهش إلى الحركة الفعلية للحيوانات في المنطقة. فضلا عن كونها رائعة في حد ذاتها ، يمكن إجراء مثل هذه البحوث ساعدنا على الفهم كيف تؤثر التغييرات في موائل الأنواع على النظم الإيكولوجية الأوسع نطاقًا - الأمر الذي قد يكون مهمًا للغاية بالنظر إلى خطر الانهيار المناخي الذي يمثله الانقراض على مئات الآلاف من الأنواع.

هذه الطريقة لنمذجة أنماط الأراضي يمكن أن تمتد لتشمل البشر. على سبيل المثال ، قطعة واحدة من البحث أظهرت أن حركة أعضاء عصابة لوس أنجلوس يمكن التنبؤ بها بدقة من خلال المعادلات التي تشكل الموقع المركزي لعصاباتهم وعلامات الكتابة على الجدران لعصابات أخرى.

ربما لم يتخيل تورينج حتى كم من أسرار الطبيعة الجميلة التي ستفتح ورقته الرائعة. وهي ليست مجرد بيولوجيا رياضية قدم إسهامًا محددًا فيها - لدينا عبقريته نشكره أكثر من ذلك بكثير. شكرا آلان.المحادثة

عن المؤلف

ناتاشا إليسون ، باحثة دكتوراه ، جامعة شيفيلد

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

كتب ذات صلة

enafarزكية-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

اتبع InnerSelf على

الفيسبوك أيقونةتويتر أيقونةآر إس إس أيقونة

احصل على آخر عبر البريد الإلكتروني

{Emailcloak = إيقاف}

أصوات INNERSELF