如老虎皮毛，你所见过的自然图案，都源于图灵的图案形成模型？

1952年艾伦·图灵发表了一项研究，从数学上描述了由许多活有机体组成的系统，如何形成丰富多样的有序图案阵列。图灵提出，这种“自组织”源于未形成模式系统中的不稳定性，这种不稳定可以形成为不同物种对空间和资源的争夺。然而，到目前为止，研究人员一直在努力在实验室条件下重现图灵图案，这引发了人们对其适用性的严重质疑。

在发表在《欧洲物理杂志B》期刊上的一项新研究中，爱尔兰利默里克大学马尔博尔·阿斯拉尼(Malbor Asllani)领导的研究人员，重新审视了图灵的理论，从数学上证明了不稳定是如何通过简单的反应以及在变化很大的环境条件下发生。该团队的研究结果可以帮助生物学家更好地理解自然界中许多有序结构的起源，从动物皮毛上的斑点和条纹（如老虎），到干旱环境中的植被簇。

在图灵最初的模型中，他将两种扩散的化学物质引入一个封闭细胞环上的不同点。当它们在相邻的细胞间扩散时，这些物种在相互作用时相互“竞争”；最终组织起来形成模式。这种模式的形成依赖于这样一个事实，即这个过程中的对称性可能会被不同程度的破坏，这取决于每个物种扩散速度之间的比率；这种机制现在被称为“图灵不稳定性”。

然而，图灵机制的一个重大缺陷是，它依赖于许多化学物质以不同速度扩散的不切实际假设。通过计算，研究表明，在足够大的细胞环中，扩散不对称导致两个物种朝着同一方向移动，产生有序模式的不稳定性总是会出现，即使竞争对手的化学物质以相同速度扩散。一旦形成，这些图案要么保持静止，要么以波的形式在环上稳定传播。

新研究解决了图灵对自己理论的一个主要担忧，也是我们在理解生命系统组织自身先天驱动力方面向前迈出的重要一步。研究提出一种在多细胞(离散)系统中产生长波方向图的通用框架，该框架超越了传统的反应-扩散(连续)模式。反应-扩散框架的标准偏微分方程可以被认为是像ansatz一样的平均场，在生物环境中，它对应于将每个单个细胞的大小(或体积)归零。

通过离散这个近似，并且在允许通量方向性的情况下，研究证明，如果(离散的)系统足够大，即由足够多的细胞组成，即空间斑块的单位，那么导致空间图案形成的不稳定性总是可以发展的，不稳定开始后的宏观模式是稳定的，并显示出振荡或稳态行为。

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博科园｜研究/来自：Springer

参考期刊《欧洲物理杂志B》

DOI: 10.1140/epjb/e2020-10206-3

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