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密码破译者图灵的理论解释了鲨鱼鳞片是如何形成图案的

导读 根据一项新的研究,60多年前第二次世界大战的密码学家艾伦图灵(alan turing)提出的系统可以解释鲨鱼拥有的牙齿状鳞片的模式。谢菲尔德大

根据一项新的研究,60多年前第二次世界大战的密码学家艾伦图灵(alan turing)提出的系统可以解释鲨鱼拥有的牙齿状鳞片的模式。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发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,从而节省运动时的能量。科学家认为,研究模式可以帮助设计新的鲨鱼灵感材料,以提高能源和运输效率。计算机老师图灵提出了反应扩散系统,并于1952年发表,也就是他去世前两年。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》杂志上的一篇论文中,研究人员将鲨鱼鳞片的模式与鸡毛的模式进行了比较。他们发现,羽毛模式化的相同核心基因也是鲨鱼鳞片发育的基础,并指出这些基因可能参与了其他不同脊椎动物皮肤结构(如刺和牙齿)的模式化。谢菲尔德大学(现为佛罗里达大学)的加雷斯弗雷泽博士说:“我们开始研究鸡以及它们是如何长出羽毛的。我们发现这些优秀的基因表达系列可以模拟这些斑点最终出现的位置。我们想也许鲨鱼也做了类似的事情,我们在背面找到了两排,这就开始了整个过程。

“我们与一位数学家合作,找出这种模式是什么,以及我们是否可以对其进行建模。我们发现鲨鱼皮的细节被一组方程精确映射,这组方程是数学家、计算机科学家和代码解码器艾伦图灵提出的。”这些方程描述了某些化学物质在动物发育过程中是如何相互作用的,我们发现这些方程解释了这些单位的模式。"

研究人员还展示了如何调整图灵系统的输入,以产生类似于今天鲨鱼和鳐鱼物种的不同比例模型。他们认为图灵系统的自然变异可能使这些动物中不同角色的进化成为可能,包括提供减阻和防御装甲。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群体,它与大多数其他下颌脊椎动物已经分离了很长时间。研究它们的发育有助于我们了解脊椎动物进化过程中的皮肤结构。”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比例模型并适当调整参数。

库珀补充说:“多年来,科学家和工程师们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是如何形成图案的,这对实现减阻非常重要。因此,这项研究有助于我们理解这些减阻特性首先出现在鲨鱼身上,以及它们在不同物种之间的变化。“图案化是一个重要的方面,有助于减少一些鲨鱼物种的阻力。另一个是个体鳞片的形状。研究人员现在想研究不同鲨鱼种类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降低阻力,将有望生产出改进的、广泛适用的鲨鱼式材料,从而降低阻力,节约能源,”库珀补充道。

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