密码破译者图灵的理论解释鲨鱼鳞片如何形成图案

根据一项新的研究，二战中的密码破译者艾伦图灵(alan turing)在60多年前提出的系统可以解释鲨鱼所具有的齿状鳞片的模式。谢菲尔德大学动植物科学系的科学家发现，图灵的反应扩散理论——被广泛认为是老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是如何进化的，以减少游泳时的阻力，从而在运动中节省能量。科学家认为，研究模式可以帮助设计新的鲨鱼启发材料，以提高能源和运输效率。计算机先生图灵提出了反应扩散系统，于1952年发表，在他去世前两年。他的方程描述了分子信号如何相互作用形成复杂的模式。

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和鸡毛的图案。他们发现羽毛图案化的相同核心基因也是鲨鱼鳞片发育的基础，并表明这些基因可能参与了其他不同脊椎动物皮肤结构的图案化，如脊椎和牙齿。前谢菲尔德大学、现就职于佛罗里达大学的加雷思弗雷泽博士说：“我们开始研究鸡以及它们是如何长出羽毛的。我们发现这些非常好的基因表达系列可以模拟这些斑点的最终位置。我们认为可能鲨鱼也做了类似的事情，我们发现背部有两排，这就开始了整个过程。

“我们与一位数学家合作，想弄清楚这种模式是什么，以及我们是否可以对它进行建模。我们发现鲨鱼皮的细节是由一组方程精确组成的，艾伦图灵——数学家、计算机科学家和密码破译者——想出了这个方法。”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元的模式。"

研究人员还展示了调整图灵系统的输入如何产生类似于今天的鲨鱼和鳐鱼物种的不同尺度模式。他们认为，图灵系统的自然变异可能使这些动物的不同性状进化成为可能，包括提供减阻和防御性装甲。谢菲尔德大学的博士生罗里库珀(Rory Cooper)说：“鲨鱼属于一个古老的脊椎动物类群，早就与大多数其他颌类脊椎动物分离开来。他们研究的发展让我们知道了脊椎动物进化过程中皮肤结构可能是什么样子的。”我们想知道控制这些多样化结构如何形成模式的发展过程，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尺度模型，并适当调整参数。

库珀先生补充说：“多年来，科学家和工程师一直在努力创造鲨鱼皮材料，以减少人和车辆在运动过程中的阻力，提高效率。”我们的研究结果有助于我们理解鲨鱼鳞片如何形成图案，这对实现减阻至关重要。因此，这项研究有助于我们了解这些减阻特征最早出现在鲨鱼身上，以及它们在不同物种之间是如何变化的。“模式化是帮助一些鲨鱼物种实现减阻的一个重要方面。另一个是单个音阶的形状。研究人员现在希望研究不同鲨鱼物种内部和之间形态变化的发展过程。”了解这些因素如何有助于减少阻力，将有望导致生产改进的、广泛适用的鲨鱼式材料，这种材料可以减少阻力并节省能源，”库珀先生补充说。

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