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那些斑紋圖案背后的奧秘

2019-02-21 14:25:00
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新華網

提起金錢豹,很多人腦海中浮現的是其飛一般奔跑跳躍的矯捷身姿。金錢豹是我國一級保護動物,因其毛色棕黃,身上遍布的黑色斑點和環紋形似古代的銅錢而得名。為什么金錢豹身上的斑點、斑紋會是這種形狀?還有斑馬的黑白條紋、海螺的旋轉螺紋、植物莖葉的回旋卷曲……大自然中這些圖案到底是怎么形成的呢?背后隱藏著什么奧秘?

1952年,英國數學家阿蘭·圖靈發表了一篇關于自然界花紋是怎樣形成的論文,他在論文中提出了著名的反應擴散理論。圖靈認為,某些重復的自然斑圖可能是由兩種特定物質(分子、細胞等)相互反應或作用產生的。通過一個被圖靈稱為“反應-擴散”的過程,這兩種組分會自發地組織成斑紋、條紋、環紋、螺旋或是斑駁的斑點等結構,這類結構則是“圖靈結構”。

后來,有其他科學家在圖靈反應擴散理論研究的基礎上設計出一個反應方程式,得出了仿真花豹斑紋的專門方程式。這個方程式描述了反應擴散理論中的兩種化學物質是如何進行反應和擴散的。

科學家們發現,這種反應擴散是非線性的,這意味著只有依靠精密、快速的計算機才能將其解析出來。

計算機經過了一系列復雜的運算,首先將平面上的4萬個點隨機代入不同數值解方程式,這樣可以慢慢呈現出花豹幼時的圓形斑點;接著,再適當調整方程式的參數,得出年齡稍大一點花豹的圈圈斑紋;最后再次更改參數,成年的花豹斑紋就成形了。經過科學家無數次的調整運算,印證了這個方程式的確可以仿真出花豹不同年齡的斑紋。

目前,已經有生物學家陸續在不同的生命體系中發現“圖靈結構”。例如,斑馬魚體表的黑色和黃色色素細胞相互作用,在體表出現條狀斑圖;小鼠生成毛囊的基因表達過程中存在反應-擴散過程,它決定著毛囊間距,影響著小鼠毛發的密度分布差異。2018年5月,我國浙江大學的科學家們將圖靈結構應用到生物與化學領域,將其與膜研究結合起來,第一次在薄膜上制造出了納米尺度的圖靈結構。

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