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那些斑纹图案背后的奥秘

时间:2019-02-21 09:54:42  来源:新华网 放大 缩小 默认

  提起金钱豹,很多人脑海中浮现的是其飞一般奔跑跳跃的矫捷身姿。金钱豹是我国一级保护动物,因其毛色棕黄,身上遍布的黑色斑点和环纹形似古代的铜钱而得名。为什么金钱豹身上的斑点、斑纹会是这种形状?还有斑马的黑白条纹、海螺的旋转螺纹、植物茎叶的回旋卷曲……大自然中这些图案到底是怎么形成的呢?背后隐藏着什么奥秘?

  1952年,英国数学家阿兰·图灵发表了一篇关于自然界花纹是怎样形成的论文,他在论文中提出了著名的反应扩散理论。图灵认为,某些重复的自然斑图可能是由两种特定物质(分子、细胞等)相互反应或作用产生的。通过一个被图灵称为“反应-扩散”的过程,这两种组分会自发地组织成斑纹、条纹、环纹、螺旋或是斑驳的斑点等结构,这类结构则是“图灵结构”。

  后来,有其他科学家在图灵反应扩散理论研究的基础上设计出一个反应方程式,得出了仿真花豹斑纹的专门方程式。这个方程式描述了反应扩散理论中的两种化学物质是如何进行反应和扩散的。

  科学家们发现,这种反应扩散是非线性的,这意味着只有依靠精密、快速的计算机才能将其解析出来。

  计算机经过了一系列复杂的运算,首先将平面上的4万个点随机代入不同数值解方程式,这样可以慢慢呈现出花豹幼时的圆形斑点;接着,再适当调整方程式的参数,得出年龄稍大一点花豹的圈圈斑纹;最后再次更改参数,成年的花豹斑纹就成形了。经过科学家无数次的调整运算,印证了这个方程式的确可以仿真出花豹不同年龄的斑纹。

  目前,已经有生物学家陆续在不同的生命体系中发现“图灵结构”。例如,斑马鱼体表的黑色和黄色色素细胞相互作用,在体表出现条状斑图;小鼠生成毛囊的基因表达过程中存在反应-扩散过程,它决定着毛囊间距,影响着小鼠毛发的密度分布差异。2018年5月,我国浙江大学的科学家们将图灵结构应用到生物与化学领域,将其与膜研究结合起来,第一次在薄膜上制造出了纳米尺度的图灵结构。

  本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创,转载时务请注明出处。

  作者: 郭航

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