PNAS:图灵的生物学理论被证实

通过一个被他称为「反应-扩散」的数学原理。阿兰·图灵是英国著名的数学家和逻辑学家,被称为计算机科学之父、人工智能之父,是计算机逻辑的奠基者,提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。

PNAS:图灵的生物学理论被证实

图灵的理论是优雅而简洁的:任何重复的自然图案都是通过两种具有特定特征的事物(分子、细胞等)的相互作用产生的。通过一个被他称为「反应-扩散」(reaction–diffusion)的数学原理,这两种组分将会自发地自组织成斑纹、条纹、环纹、螺旋或是斑驳的斑点。

PNAS:图灵的生物学理论被证实


阿兰·图灵(Alan Turing)是英国著名的数学家和逻辑学家,被称为计算机科学之父、人工智能之父,是计算机逻辑的奠基者,提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。他在计算机科学领域的成就广为人知,不过很少有人知道他对生物学和化学所做的贡献。在他唯一的一篇生物学论文中,图灵提出了一个形态发生理论,力图解释同样的细胞如何分化成为拥有头、四肢和尾部的生物体。

PNAS:图灵的生物学理论被证实


在图灵逝世 60 周年后,来自美国匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的研究人员通过类细胞结构,首次为图灵的理论提供了实验证据,验证了他提出的模型。

图灵是第一个通过简单化学来解释形态发生的人。他认为,同样的生物学细胞能够通过一个被称为细胞间反应扩散(intercellular reaction-diffusion)的过程,发生分化、改变形状并形成特定的细胞模式。在这一模型中,一系列化学物质发生了相互作用,并且在一定的空间内扩散开来(即胚胎中的细胞之间)。这样的化学反应需要一个抑制反应的抑制因子,和一个激活反应的刺激因子。当这种化学反应在胚胎中扩散开时,就会使出现化学差异性的细胞形成特定的模式。据图灵预测,这样的模型将会形成六种不同的细胞模式。

物理学教授 Seth Fraden 和化学教授 Irv Epstein 按照图灵的理论,合成了具有激活和抑制性化学反应的类细胞结构,并对图灵的模型进行了测试。他们观察到了图灵所预测的六种模式,还另外发现了一种未被预测到的模式。正如图灵所言,研究显示由于渗透作用导致的化学差异,曾经完全相同的类细胞结构也开始改变自身的大小。这项研究不仅会对生物发育研究产生重要影响,也将推动材料科学的发展。举例来说,图灵的模型可以帮助人们开发拥有特定模式和形状的柔性机器人。


研究再一次表明,图灵是一位跨多个不同领域的重要先驱。

原文检索:

Nathan Tompkins, Ning Li, Camille Girabawe, Michael Heymann, G. Bard Ermentrout,Irving R. Epstein, and Seth Fraden. Testing Turing’s theory of morphogenesis in chemical cells. PNAS, March 10, 2014; doi:10.1073/pnas.1322005111

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