一项新的研究揭示了数学家艾伦·图灵(Alan Turing)提出的化学相互作用形成的模式与精子尾部运动之间的数学联系。这项开创性的研究不仅加深了我们对自然模式的理解，而且暗示了在健康和机器人领域的潜在应用。

　　研究人员发现将艾伦·图灵的模式形成理论与斑点联系起来精子尾巴的自发运动，揭示了在医学和机器人方面的潜在应用。

　　化学相互作用的模式被认为在自然界中创造了条纹和斑点等图案。这项新的研究表明，这些模式的数学基础也支配着精子尾巴的运动方式。

　　今天(9月27日)发表在《自然通讯》上的这一发现揭示了鞭毛的运动，例如精子尾巴和纤毛，遵循着著名数学家艾伦·图灵发现的相同的模式形成模板。

　　鞭毛的波动在时空中形成条纹图案，产生的波浪沿着尾巴传播，推动精子和微生物前进。

　　艾伦·图灵因在二战期间帮助破解谜机密码而闻名。然而，他也发展了一种模式形成理论，该理论预测化学模式可能只需要两种成分就会自发出现:化学物质扩散(扩散)和共同反应。图灵首先提出了所谓的模式形成的反应扩散理论。

　　图灵为一种全新的探究铺平了道路，用反应扩散数学来理解自然模式。今天，这些最初由图灵设想的化学模式被称为图灵模式。虽然还没有被实验证据证实，但这些图案被认为支配着自然界中的许多图案，比如豹子的斑点、向日葵花头上的种子轮和海滩上的沙子图案。图灵的理论可以应用于各个领域，从生物学、机器人到天体物理学。

　　来源:爱马仕Gadêlha

　　数学家赫尔墨斯博士Gadêlha是博学实验室的负责人，他和他的博士生詹姆斯·卡斯在布里斯托尔大学工程数学与技术学院进行了这项研究。Gadêlha解释说:“鞭毛和纤毛的自发运动在自然界随处可见，但人们对它们是如何被精心安排的知之甚少。

　　“它们对地球上几乎所有水生微生物的健康和疾病、繁殖、进化和生存都至关重要。”

　　研究小组的灵感来自于最近对低粘度流体的观察，即周围环境对鞭毛的影响很小。他们使用数学模型、模拟和数据拟合来证明鞭毛波动可以在不受流体环境影响的情况下自发产生。

　　从数学上讲，这相当于图灵的反应扩散系统，它最初是为化学模式提出的。

　　条纹图案。来源:爱马仕Gadêlha

　　在精子游泳的例子中，分子马达的化学反应为鞭毛提供动力，弯曲运动沿着尾巴扩散成波浪。视觉模式和运动模式之间的共性水平是惊人的和意想不到的，并且表明只需要两个简单的成分就可以实现高度复杂的运动。

　　Gadêlha博士补充说:“我们表明，遵循这个数学‘配方’的是两个非常遥远的物种——牛精子和衣藻(一种绿藻，被用作科学界的模式生物)，这表明大自然复制了类似的解决方案。

　　“即使鞭毛不受周围液体的影响，行波也会自发出现。这意味着鞭毛具有万无一失的机制，可以在低粘度环境中游泳，否则水生物种是不可能的。

　　“这是第一次将模型模拟与实验数据进行很好的比较。

　　“我们非常感谢那些免费提供数据的研究人员，没有他们，我们就无法进行这项数学研究。”

　　时空中的条纹图案。来源:爱马仕Gadêlha

　　这些发现可能在未来用于更好地理解与异常鞭毛运动和其他纤毛病相关的生育问题;人体纤毛无效引起的疾病。

　　这也可以进一步探索机器人应用、人造肌肉和动画材料，因为该团队发现了一个简单的“数学配方”来制作运动模式。

　　Gadêlha博士也是布里斯托机器人实验室(BRL)软实验室的成员，在那里他使用模式形成数学来创新下一代软机器人。

　　“1952年，图灵解开了化学模式的反应扩散基础，”Gadêlha博士说。“我们展示了细胞世界中运动的‘原子’，鞭毛，使用图灵的模板来塑造运动模式，而不是驱动尾巴运动，推动精子前进。

　　“虽然这离从数学上解码自然中的自发动画又近了一步，但我们的反应扩散模型太简单了，无法完全捕捉到所有的复杂性。在模型空间中，可能存在其他模型，它们与实验的拟合程度相同，甚至更好，只是我们还不知道它们的存在，因此还需要进行大量的研究!”

　　这项研究是由工程和物理科学研究委员会(EPSRC)和詹姆斯·卡斯博士的DTP奖学金资助完成的

　　数值计算工作是利用布里斯托尔大学高级计算研究中心的计算和数据存储设备进行的。

　　参考文献:James Cass和Hermes博士的《真核鞭毛动画模式的反应-扩散基础》Bloomfield-Gadêlha, 2023年9月27日《自然通讯》。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 41405 - 4