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动物的皮毛与图灵斑-形态发生

2013-03-11
形态发生的化学基础,图灵斑
动物的皮毛与图灵斑
看到老虎身上的惊人之美,谁不动容?带点橙色又带点褐色的躯体,上面是黑色条纹,在整个脸部紧紧排列在一起,而在眼睛和嘴的四周,则以白色来衬托,完美地融合成四排平行而整齐的胡须。

毛发生长只是生物形态发生中的一个很小的环节,但以上例子却揭示出了遗传学因素(基因)和数学定律在其中各自扮演的角色,某种意义上,数学问题是更基本的问题,生命中各种繁杂现象,归根到底是要用算法来解释的。


这观点在英国著名科普作家伊恩·斯图尔特(Ian Stewart)的著作《生命的另一个奥秘》(Life's Other Secret)中得到了清晰的表述:DNA是生命的第一个奥秘,而生命诞生过程中,控制生命体成长、告诉生物如何应对遗传指令的,是物理及化学反应中的数学定律。

苏格兰博物学家和数学家达西·汤普森(D’Arcy Thompson)更是早在1917年就指出“形质遗传不是形态学唯一的决定,虽然它是生物最重大的要素之一……但我们不能忽略物理和动力学方面的原因”。当时,他出版了一本自然科学巨著《论生长和形态》(On Growth and Form),饶有兴致地用数学手段探讨细胞的形态,组织或胞团的形态,针突和针突状骨骼,存在于象鼻、羊角、鹦鹉爪子中的等角螺线,角、牙、齿的形状等一系列生物领域的问题,对后世产生了极大影响。

不过,说到真正带来颠覆性的创见,却是由被誉为“计算机之父”的阿兰·图灵(Alan Turing)提出的。

不要惊讶,我知道也许你对图灵的印象多半只和大名鼎鼎的图灵机有关,殊不知这位上帝匆匆派来又急急召回的智慧使节,在生命后半程已将注意力投向了生物学。

1952年,他发表了《形态发生的化学基础》(The Chemical Basis of Morphogenesis),建立了一个化学系统的简单数学模型。初始条件下该系统是均匀的,但它会由于其中某些化学物质的扩散导致不均匀。显然这听上去违反物理常识,因为一般来说,系统中的各种扩散现象通常都是为了建立均匀态,比如两种不同气体混合到一个容器中,只有通过扩散,才会最终达到平衡。但图灵称,自然已经给了我们良好的例证——如果其中的一种物质是和生物体生长有关的荷尔蒙(他把它命名为成形素,morphogen),那么对称的椭圆形卵细胞能够长成一只不规则的动物躯体,不就正好印证了他的想法嘛。论文还提到由于均匀态失稳,会使体系自组织出一些定态图纹,后世将这个过程命名为图灵失稳,图纹则被叫做了图灵斑。很不幸,这篇论文发表两年后,他就因吃了涂有氰化钾的苹果中毒身亡,是不是自杀迄今没有定论。




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本栏目主要介绍生命探索方面,包括生命起源、生命科学、生命现象、人类起源、动物的皮毛与图灵斑-形态发生等。特别关注有关人与生命的意义与生命的价值方面的研究。

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