Como o codebreaker mais famoso do mundo desvendou os segredos da beleza natural

ciência Não há necessidade de chamar o corpo de bombeiros. rokopix / Shutterstock

Sair na natureza pode parecer um mundo distante de uma sala de aula de matemática. Mas a beleza que nos rodeia tem ordem - e um dos melhores decifradores do mundo foi a chave para desbloqueá-lo.

Alan Turing pode ser mais conhecido por decifrar mensagens alemãs criadas por sua máquina enigma na Segunda Guerra Mundial. Mas o cientista influente Pensei sobre a interação entre natureza e matemática em grande profundidade antes de sua morte prematura em 1954. De fato, último artigo publicado tornou-se uma das teorias fundadoras da biologia matemática, um assunto dedicado a entender como os mecanismos da natureza funcionam, encontrando equações que os descrevem, das mudanças na população de espécies à forma como os tumores cancerígenos crescem.

ciência Um mbu pufferfish usando um padrão de Turing particularmente hipnotizante. Dennis Jacobsen / Shutterstock

Turing propôs que dois químicos biológicos que se movem e reagem uns com os outros de uma maneira matematicamente previsível poderiam explicar formas e padrões através da natureza. Por exemplo, imagine que o pêlo de uma chita seja uma floresta seca com “incêndios” químicos ocorrendo por toda parte. Simultaneamente, os produtos químicos de combate a incêndios de um segundo tipo trabalham para cercar e conter esses incêndios, deixando manchas ou manchas carbonizadas na paisagem peluda.

É importante ressaltar que a velocidade do produto químico inibidor de combate a incêndios deve ser mais rápida do que a do químico ativador de criação de manchas para os padrões a serem criados. Muito lento, e o químico ativador dominará, levando a uma cor uniforme.

Turing apresentou duas equações que modelam os tipos de padrões que seriam produzidos tanto pela concentração dos dois produtos químicos quanto pela velocidade com que eles se difundem. No entanto, era incrivelmente difícil resolver essas equações complexas com as máquinas de computação primitivas da época. Turing, no entanto, empreendeu a tarefa meticulosa, produzindo um padrão manchado que lembrava a pele de uma vaca.

Ajudados pelos computadores modernos, os cientistas mostraram que as equações de Turing podem ser usadas para imitar inúmeros padrões bidimensionais vistos em todo o mundo natural, desde impressões digitais e o casacos de animais para paisagens semi-áridas.

Mostrar que as reações e os movimentos das substâncias químicas estão realmente por trás da criação dos padrões da natureza foi mais difícil. Por exemplo, não podemos ver como as manchas de chitas se desenvolvem no útero. Mesmo observando os padrões notáveis ​​do peixe anjo em crescimento mudar à medida que se desenvolvem desde o estágio juvenil até a idade adulta não fornece prova de que uma dança de dois produtos químicos inibidores do ativador está em ação.

Recentemente, porém, Padrões de Turing in folículos capilares, penas de galinhae tubarão dentes-like "escalas" Todos foram mostrados diretamente para ser produzido pela interação entre um ativador e um inibidor químico.

Naturalmente, a natureza raramente é tão simples quanto duas substâncias químicas interagindo isoladamente. Os cientistas agora estenderam a teoria de Turing para explicar sistemas mais complexos, como camas de mexilhão, que se estendem por centenas de metros em um grande padrão de Turing, e exibem um tipo de padrão completamente diferente em uma escala menor. Uma versão de quatro químicos da teoria também modela com precisão o formação de cumes na boca de um vertebrado.

Curiosamente, também podemos aplicar o trabalho de Turing a toda uma gama de padrões não visuais. Por exemplo, minha pesquisa explora como os usamos para modelar os padrões de território dos animais. Em vez de descrever a concentração e as reações entre produtos químicos, usamos equações semelhantes para descrever a probabilidade da localização dos indivíduos e as interações entre cada indivíduo e seu ambiente.

Como você pode imaginar, as equações geralmente são altamente complexas, como múltiplos fatores influenciar o movimento de um animal, desde o marcas de perfume e presença física de outros animais para o local da presa e até da memória.

Mas os padrões de movimento previstos pelas equações que modelam esses fatores comparam surpreendentemente bem ao movimento real de animais em uma área. Além de ser fascinante por si só, pesquisas como essa podem nos ajude a entender como as mudanças no habitat de uma espécie afetam ecossistemas mais amplos - o que poderia ser altamente importante, considerando a ameaça de extinção, que o clima de desagregação representa para centenas de milhares de espécies.

Este método de modelagem de padrões territoriais pode até ser estendido a populações humanas. Por exemplo, uma parte da pesquisa mostrou que o movimento de membros de gangues de Los Angeles pode ser previsto com precisão por equações que modelam a localização central de sua gangue e as marcas de grafite de outras gangues.

Talvez nem mesmo Turing tivesse imaginado quantos dos belos segredos da natureza seu papel seminal poderia revelar. E não é apenas a biologia matemática para a qual ele deu uma contribuição definidora - temos a genialidade de agradecer muito mais. Obrigado Alan.A Conversação

Sobre o autor

Natasha Ellison, PhD Researcher, Universidade de Sheffield

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

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