Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Высшая математика в природе: узоры ящериц подчиняются уравнению тьюринга.

17.04.2017 в 00:55

Международная группа ученых доказала, что появление узоров на коже ящериц подчиняется действию двух математических моделей - уравнению тьюринга и автомату фон Неймана. Лауреат премии филдса, руководитель лаборатории им. Чебышёва спбгу Станислав Смирнов помог коллегам - биологам из университета Женевы найти связь между системами, разработанными великими математиками.


Молодые особи юго-западных европейских ящериц имеют окраску трех цветов в форме колец, причем эти кольца расположены поперек чешуек. Как и у большинства пресмыкающихся цвет не имеет отношения к структуре чешуи. Но когда ящерица взрослеет, чешуйки целиком окрашиваются в один из двух цветов - зеленый или черный - и образуют извилистый узор, похожий на лабиринт. При этом чешуйки периодически свой цвет меняют.
Наблюдая за взрослыми ящерицами, несколько лет назад руководитель лаборатории искусственной и живой эволюции университета Женевы, профессор Мишель милинкович заметил, что поведение кожи пресмыкающихся похоже на эволюцию клеточного автомата. Клеточный автомат - вычислительная система, предложенная одним из отцов современных компьютеров, математиком Джоном фон Нейманом. Система состоит из набора правил, по которым клетки перекрашиваются в зависимости от цвета соседей. При этом даже простые правила могут привести к очень сложному поведению, упорядоченному или хаотическому. Примером служит "Игра в Жизнь" на клетчатой бумаге, часто упоминающаяся в популярной литературе, например в книгах Мартина Гарднера.
Мишель милинкович и его коллеги в течение четырех лет наблюдали за ящерицами, окрас которых меняется с возрастом. Выяснилось, что кожа ящериц действительно похожа на клеточный автомат - клетки перекрашиваются в зависимости от того, сколько у них соседей того или другого цвета. Результат исследования опубликован в журнале Nature, в статье A Living Mesoscopic Cellular Automaton Made of Skin Scales.
Однако самая распространенная причина появления узоров на коже животных не имеет отношения к клеточным автоматам. Она была предложена знаменитым математиком Аланом тьюрингом в одной из его последних статей. Это взаимодействие пигментов, описываемое уравнениями реакции - диффузии.
Таким образом, если пигмент просто диффузирует, то, например, черное пятно расплывается, и вся кожа становится серой. Но если между разными диффузирующими пигментами есть нетривиальные реакции, то поведение решений становится сложнее. Тьюринг заметил, что при очень простых коэффициентах решения могут вести себя по-разному - появляются или пятна, или полосы, или спирали. Иногда узоры движутся или пульсируют. Осмысление гипотез тьюринга заняло полвека, и сейчас стало очевидным, что раскраска многих животных идет именно от его уравнений. Показательным примером может служить обитающая в тропических морях рыба - зебра, сложные узоры которой следуют из достаточно простых уравнений.
Вопрос, с которым к Станиславу Смирнову обратился Мишель милинкович, звучал так: как можно из уравнения типа реакции - диффузии вывести клеточный автомат? Вместе ученые предположили, что изменение толщины кожи между чешуйками ящериц должно уменьшать в этих местах коэффициенты диффузии в уравнении тьюринга.
"Мне удалось не только подтвердить наше общее предположение, - рассказал Станислав Смирнов, - но и показать, как в этом случае уравнения тьюринга сводятся к дискретной форме на решетке чешуек (где считается, что каждая чешуйка окрашена в один цвет), а потом - к клеточному автомату. Поскольку вместо целой области точек все сводится к изучению цветов нескольких тысяч чешуек, задача сильно упрощается. В свою очередь эту новую модель удалось связать с клеточным автоматом".
Математическое доказательство этого нового наблюдения получено во многом благодаря исследованиям в области химии и биологии. Интересно, что уравнения тьюринга были связаны с клеточными автоматами фон Неймана, и эта связь проявляется в природе в результате эволюции Дарвина.
При этом механизм появления узоров, описанный учеными в Женеве и в Санкт-петербурге, сильно отличается от тех, которые прежде рассматривались их коллегами. По мнению Станислава Смирнова, результаты, полученные в ходе данного исследования, могут быть развиты и применены в различных областях науки, в том числе в биологии и физике при изучении спонтанно образующихся узоров. Источник: Popmech. ru наука@Science_Newworld.