Wie der berühmteste Codebreaker der Welt die Geheimnisse der Schönheit der Natur enthüllte

Wissenschaft Die Feuerwehr muss nicht gerufen werden. rokopix / Shutterstock

Sich in die Natur zu begeben, scheint eine Welt fern von einem Mathe-Klassenzimmer zu sein. Aber die Schönheit, die uns umgibt, hat Ordnung - und einer der weltbesten Codebreaker war der Schlüssel zum Freischalten.

Alan Turing ist vielleicht am besten dafür bekannt, deutsche Nachrichten zu entschlüsseln, die von ihrer Rätselmaschine im Zweiten Weltkrieg erstellt wurden. Aber die einflussreicher Wissenschaftler Vor seinem frühen Tod in 1954 dachte er intensiv über die Wechselwirkung zwischen Natur und Mathematik nach. In der Tat sein letzte veröffentlichte Arbeit wurde zu einer der Grundtheorien der mathematischen Biologie, die sich mit dem Verständnis der Funktionsweise von Naturmechanismen befasste, indem Gleichungen gefunden wurden, die sie beschreiben, von Veränderungen der Artenpopulation bis hin zum Wachstum von Krebstumoren.

Wissenschaft Ein Mbu-Kugelfisch, der ein besonders faszinierendes Turing-Muster trägt. Dennis Jacobsen / Shutterstock

Turing schlug vor, dass zwei biologische Chemikalien, die sich auf mathematisch vorhersehbare Weise bewegen und miteinander reagieren, Formen und Muster in der Natur erklären könnten. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, ein Gepardenmantel sei ein trockener Wald, in dem überall chemische „Feuer“ ausbrechen. Gleichzeitig umgeben und begrenzen Feuerlöschmittel der zweiten Art diese Brände und hinterlassen verkohlte Flecken - oder Flecken - in der pelzigen Landschaft.

Wichtig ist, dass die Geschwindigkeit der Feuerlöschhemmchemikalie schneller sein muss als die der Flecken erzeugenden Aktivatorchemikalie, damit Muster erzeugt werden. Zu langsam und die Aktivatorchemikalie dominiert, was zu einer gleichmäßigen Farbe führt.

Turing entwickelte zwei Gleichungen, die modellieren, welche Arten von Mustern sowohl als Konzentration der beiden Chemikalien als auch als Geschwindigkeit, mit der sie Änderungen verbreiten, erzeugt werden. Es war jedoch unglaublich schwierig, diese komplexen Gleichungen mit den damals üblichen primitiven Rechenmaschinen zu lösen. Turing übernahm jedoch einmal die mühsame Aufgabe und erzeugte ein Muster mit Tupfen, das der Haut einer Kuh ähnelte.

Mithilfe moderner Computer haben Wissenschaftler gezeigt, dass mit Turings Gleichungen unzählige zweidimensionale Muster nachgebildet werden können, die in der gesamten Natur vorkommen Fingerabdrücke und die Mäntel von Tieren zu halbtrockene Landschaften.

Schwieriger war es zu zeigen, dass die Reaktionen und Bewegungen von Chemikalien tatsächlich hinter der Entstehung von Mustern in der Natur stehen. Zum Beispiel können wir nicht beobachten, wie sich Gepardenflecken im Mutterleib entwickeln. Sogar das Beobachten der bemerkenswerten Muster des wachsenden Engelsfisches ändern sich, wenn sie sich entwickeln Vom Jugendstadium bis zum Erwachsenenalter liefert dies keinen Beweis dafür, dass ein Tanz zweier Aktivator-Inhibitor-Chemikalien am Werk ist.

Kürzlich jedoch Turing-Muster in Haarfollikel, Hühnerfedern, und zahnähnliche Haischuppen Es wurde gezeigt, dass alle direkt durch die Wechselwirkung zwischen einem Aktivator und einer Inhibitorchemikalie erzeugt werden.

Natürlich ist die Natur selten so einfach wie zwei Chemikalien, die isoliert interagieren. Wissenschaftler haben nun Turings Theorie erweitert, um komplexere Systeme wie z Muschelbänke, die sich über Hunderte von Metern in einem großen Turingmuster erstrecken und eine ganz andere Art von Muster in kleinerem Maßstab anzeigen. Eine vier-chemische Version der Theorie modelliert auch genau das Bildung von Graten im Mund eines Wirbeltiers.

Interessanterweise können wir Turings Arbeiten auch auf eine ganze Reihe von nicht-visuellen Mustern anwenden. Zum Beispiel, meine Nachforschung Untersucht, wie wir sie verwenden, um die Territorialmuster von Tieren zu modellieren. Anstatt die Konzentration und die Reaktionen zwischen Chemikalien zu beschreiben, haben wir ähnliche Gleichungen verwendet, um die Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts von Personen und die Wechselwirkungen zwischen jedem Individuum und seiner Umgebung zu beschreiben.

Wie Sie sich vorstellen können, sind die Gleichungen oft sehr komplex mehrere Faktoren die Bewegung eines Tieres beeinflussen, von der Duftmarken und physische Anwesenheit anderer Tiere am Ort der Beute und sogar Erinnerung.

Aber die Bewegungsmuster, die durch Gleichungen vorhergesagt werden, die diese Faktoren modellieren, vergleichen sich überraschend gut auf die tatsächliche Bewegung von Tieren in einem Gebiet. Forschung wie diese ist nicht nur faszinierend für sich, sondern kann es auch hilf uns zu verstehen Wie sich Veränderungen im Lebensraum einer Art auf breitere Ökosysteme auswirken - was angesichts der Bedrohung durch das Aussterben des Klimas für Hunderttausende von Arten von großer Bedeutung sein könnte.

Diese Methode zur Modellierung von Gebietsmustern kann sogar auf die menschliche Bevölkerung ausgedehnt werden. Zum Beispiel ein Stück Forschung zeigte Dass die Bewegung von Gangmitgliedern in Los Angeles durch Gleichungen genau vorhergesagt werden kann, die den zentralen Ort ihrer Bande und die Graffiti-Tags anderer Banden modellieren.

Vielleicht hätte sich nicht einmal Turing vorgestellt, wie viele der schönen Geheimnisse der Natur sein wegweisendes Papier enthüllen würde. Und er hat nicht nur zur mathematischen Biologie einen entscheidenden Beitrag geleistet - wir haben sein Genie zu verdanken so viel mehr. Danke Alan.Das Gespräch

Über den Autor

Natasha Ellison, Doktorandin, University of Sheffield

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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