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斑马到底是如何形成黑底白斑纹的呢?

还记得上周我们探讨过的斑马条纹的问题吗?上周的小百科告诉我们斑马是长着白条纹和肚子的黑底白斑的动物,并从生物学和遗传学的角度分析了其产生的可能原因。本期小百科将带您继续深入探讨,斑马到底是如何形成黑底白斑纹的呢?

来自2013/06/17/ ​小宇宙百科13168

AD&沈迦勒/编 雨璇/配图

斑马在变异和遗传的共同作用下,拥有了黑底白斑纹,但是这样看起来杂乱无章、却又暗藏规律的花纹,就像奶牛身上的斑点,蝴蝶翅间的色彩一样,究竟是如何形成的呢?这可以用数学模型来解释。几个世纪以来,数学虽然在物理学领域中起着主导作用,但在生命科学的发展里,仅仅扮演着分析数据的龙套角色。这种情况随着计算机科学之父阿兰•图灵于1952年的论文《形态发生的化学基础》的发表正式划上句点。

(图:计算机科学之父阿兰•图灵)

他提出了生物花纹形成理论,并应用一个在物理学中常见的数学方程,描述了普通而单一的化学物质,如何形成复杂且不规则的斑纹。这个过程就像在沙漠里,完全相同的沙砾居然能形成不同的纹路与沙丘。图灵方程的直接结论是:生物系统通过自组织(自发且无意识),可以在平稳且无特征的系统中发展出某些特征来。图灵模型虽然简单(事实上,斑纹形成远比图灵方程所描述的复杂,至今学界仍在争论基因与其他化学物质相互作用的准确机制),但是却抓住了问题的关键:究其本质,原理类似于一个数学方程的不断迭代。通过图灵方程,可以得知怎样的反应会形成哪一类的花纹,但是具体形状仍然是不规则的,正如不会有两只条纹一样的斑马。自然界几乎所有形状背后,都隐含着“自相似”的数学原理,一个图形缩小之后叠加于自身,无限重复下去,最终会形成复杂却不规则的图形,正如树的主干和分枝。最著名的自相似图形是被称为“上帝的指纹”的曼德勃罗集,而这个复杂的图形,只是由一个具有自反馈机制(每次输出值会成为下次运算的输入值)的简单方程迭代得到。

被称为上世纪“最不受欢迎的科学发现”之一的混沌理论,也同样是基于方程迭代的思想。如果说相对论消除了关于绝对空间和时间的幻想,量子力学紧接着击碎了微观世界的物理因果律,那么最终,混沌理论否定了宏观世界的决定型因果律:确定的原因也可能导致随机的结果,简单的原因也可以产生复杂的结果。我们掌握规律,并不等于可以预言未来。例如我们熟知的“蝴蝶效应”,就是混沌学应用于气象学的实例。但是这种混沌并不是一般意义上的杂乱无章,经过分析,我们也可以理出其中的某种规则,正如动物的斑纹可以基于简单的图灵公式推得,曼德勃罗集也能够通过一个方程迭代得到一样。

达尔文告诉我们生物的模式会以编码的形式存在于基因中,在外界的影响下传递至下一代,但是却没有解释最初的模式如何产生;图灵告诉我们最初的模式基于进化,经由简单的法则和自反馈,复杂性由此自发产生。1954年,图灵因同性恋身份,自杀年仅41岁。AD&沈迦勒/编·天工开物

斑马到底是黑底白斑还是白底黑斑呢?​:http://xyzpedia.org/2013/06/stripes-of-zebra/

计算机界诺贝尔奖——图灵奖:http://xyzpedia.org/2009/03/turing-award/

维特根斯坦:http://xyzpedia.org/2010/12/wittgenstein/

编者 AD

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编者 沈迦勒

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