No hay necesidad de llamar a la brigada de bomberos. rokopix / Shutterstock
Salirse a la naturaleza puede parecer un mundo alejado de las clases de matemáticas. Pero la belleza que nos rodea tiene orden, y uno de los mejores descifradores de códigos del mundo fue la clave para desbloquearlo.
Alan Turing puede ser mejor conocido por descifrar mensajes alemanes creados por su máquina de enigma en la Segunda Guerra Mundial. Pero el científico influyente pensó en la interacción entre la naturaleza y las matemáticas en gran profundidad antes de su prematura muerte en 1954. De hecho, su último artículo publicado se convirtió en una de las teorías fundadoras de la biología matemática, un tema dedicado a comprender cómo funcionan los mecanismos de la naturaleza al encontrar ecuaciones que los describen, desde los cambios en la población de las especies hasta la forma en que crecen los tumores cancerosos.
Un pez globo mbu con un patrón de Turing particularmente fascinante. Dennis Jacobsen / Shutterstock
Turing propuso que dos productos químicos biológicos que se mueven y reaccionan entre sí de una manera matemáticamente predecible podrían explicar formas y patrones a través de la naturaleza. Por ejemplo, imagine que el pelaje de un guepardo es un bosque seco con "incendios" químicos que explotan por todas partes. Simultáneamente, los productos químicos de extinción de incendios de un segundo tipo trabajan para rodear y contener estos incendios, dejando parches carbonizados (o manchas) en el paisaje furry.
Es importante destacar que la velocidad del químico inhibidor de extinción de incendios debe ser más rápida que la del químico activador de creación de puntos para que se creen patrones. Demasiado lento, y el activador químico dominará, dando lugar a un color uniforme.
A Turing se le ocurrieron dos ecuaciones que modelan qué tipos de patrones se producirían como la concentración de los dos productos químicos y la velocidad a la que difunden los cambios. Sin embargo, fue increíblemente difícil resolver estas ecuaciones complejas con las máquinas de computación primitivas en ese momento. Sin embargo, Turing emprendió una laboriosa tarea una vez, produciendo un patrón moteado que se parecía a la piel de una vaca.
Ayudados por las computadoras modernas, los científicos han demostrado que las ecuaciones de Turing se pueden usar para imitar innumerables patrones bidimensionales vistos en todo el mundo natural, desde huellas dactilares y del abrigos de animales a paisajes semiáridos.
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Mostrar que las reacciones y los movimientos de los productos químicos en realidad están detrás de la creación de los patrones de la naturaleza fue más difícil. Por ejemplo, no podemos ver cómo se desarrollan las manchas de guepardos en el útero. Incluso observando los patrones notables del creciente pez ángel. cambian a medida que se desarrollan desde la etapa juvenil hasta la edad adulta, no proporciona pruebas de que esté funcionando una danza con dos inhibidores activadores.
Recientemente, sin embargo, Patrones de turing in folículos pilosos, plumas de polloy "escamas" de tiburón como dientes se ha demostrado directamente que se producen por la interacción entre un activador y un inhibidor químico.
Por supuesto, la naturaleza rara vez es tan simple como dos productos químicos que interactúan de forma aislada. Los científicos ahora han extendido la teoría de Turing para explicar sistemas más complejos como camas de mejillones, que se extienden por cientos de metros en un gran patrón de Turing, y muestran un tipo de patrón completamente diferente en una escala más pequeña. Una versión de cuatro teorías químicas de la teoría también modela con precisión la formación de crestas En la boca de un vertebrado.
Curiosamente, también podemos aplicar el trabajo de Turing a una amplia gama de patrones no visuales. Por ejemplo, mi investigación explora cómo los usamos para modelar los patrones de territorio de los animales. En lugar de describir la concentración y las reacciones entre los productos químicos, hemos usado ecuaciones similares para describir la probabilidad de la ubicación de los individuos y las interacciones entre cada individuo y su entorno.
Como puedes imaginar, las ecuaciones son a menudo muy complejas, ya que factores múltiples influenciar el movimiento de un animal, desde el marcas de olor y la presencia física de otros animales en el lugar de la presa e incluso la memoria.
Pero los patrones de movimiento predichos por las ecuaciones que modelan estos factores se comparan sorprendentemente bien Al movimiento real de los animales en un área. Además de ser fascinante en sí misma, investigaciones como esta pueden ayúdanos a entender Cómo los cambios en el hábitat de una especie afectan a los ecosistemas más amplios, lo que podría ser muy importante si se considera la amenaza de extinción que el clima descompone a cientos de miles de especies.
Este método de modelado de patrones territoriales puede incluso extenderse a las poblaciones humanas. Por ejemplo, una pieza de investigación. mostró que el movimiento de los pandilleros de Los Ángeles se puede predecir con precisión mediante ecuaciones que modelan la ubicación central de su pandilla y las etiquetas de graffiti de otras pandillas.
Tal vez ni siquiera Turing hubiera imaginado cuántos de los hermosos secretos de la naturaleza revelaría su papel seminal. Y no es solo la biología matemática a la que hizo una contribución definitoria, tenemos que agradecerle a su genio mucho más. Gracias alan
Sobre la autora
Natasha Ellison, PhD Investigadora, Universidad de Sheffield
Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.
