Chia palánták igazolják Alan Turing sejtelmét a természet mintázatairól

Ez a foltos vegetáció egy szakadékos bokor fennsíkon Nigerben egy példa a Turing mintázatokra.

Tálcákon csírázott chia magok kísérletileg megerősítettek egy Alan Turing által több évtizedekkel ezelőtt javasolt matematikai modellt. A modell meghatározza hogy a mintázatok hogy alakulhatnak ki a sivatagi vegetációban, leopárd foltokban és zebra csíkokban. - írja a ScienceNews magazin honlapján.

A reakció-diffúzió egyenletek széleskörűen tanulmányoztt matematikai modellek, amik olyan rendszereket írnak le, amikben minden egyes állapotváltozó változásának a rátáját a változók közti helyi interakciók és térbeli diffúziójuk határoz meg.1952-ben Alan turing felfedezett egy mechanizmust amely által egy kezdeti homogén egyensúlyi állapotból származó kis random pertubációk komplex térbeli mintázatok kialakulását okozhatják bizonyos reakció-diffúzió rendszerekben. Ez magyarázatot ad az ökológia, fizika és a fejlődésbiológia sok területén megfigyelt mintázatokra. A kutatók a Turing mintázatok kísérleti méréseit mutatják ki a vegetációban. Chia magokat termesztettek 4 különböző táptalajban változó szintű diffúzóval, napi öntözéssel, és evaporációval. Létrehozták a kísérletekhez illesztett modell paraméterekkel termesztett vegetáció egy 2D-s reakció-diffúzió modelljének interaktív GPU szimulációit.

Demonstrálták, hogy a modell képes reprodukálni a kísérleti mintázatokat a különböző szintű diffúzióhoz, öntözéshez, és evaporációhoz. Úgy vélik ez az első eset, hogy egy vegetációs modellt közvetlenül kísérletekkel megerősítettek.

Száraz régiók esetén a nedvességért való versengés a növények között a vegetáció bonyolult eloszlásához vezet.Ezek és más foltos és csíkos jellemzők a természetben példák arra, amit Turing mintázatoknak hívnak, így nevezik, mert 1952-ben Turing bemutatott egyenleteket arról, hogy a versengő faktorok közötti egyszerű interakciók meglepően komplex felszíni mintázatokhoz vezetnek.

Ez a foltos vegetáció egy szakadékos bokor fennsíkon Nigerben egy példa a Turing mintázatokra. Forrás: https://www.sciencenews.org/article/seeds-alan-turing-patterns-nature-math

De bebizonyítani, hogy Turing modellje megmagyarázza a mintázatokat a való világban, kihívás volt. Nem volt világos, hogy Turing sejtelme áll-e valóban a vegetáció természetes eloszlásai mögött. Lehet, hogy a sejtelem egy matematikai eset, ami azért történik, hogy hasonló alakokat hozzon létre egy számítógépen, mondja Flavio Fenton az atlantai Georgia Tech fizikusa.
Az Amerikai Fizikai társaság találkozóján bemutatott kutatásban Brendan D'Aquini, aki Fenton labirjában tanult 2022 nyarán, leírt egy kísérletet ami úgy tűnik, hogy megerősíti, hogy Turing modellje valóban a vegetáció alapja.

A csapat chia magokat termesztett tálcák egyenletes rétegeiben és aztán beigazították az elérhető nedvességet. A kutatók kísérletileg módosították a faktorokat, amik megjelennek a Turing egyenletekben. A mintázatok hasonlítanak azokhoz, amik láthatóak a természetes környezetben kialakulni. A mintázatok erősen hasonlítanak a Turing modell számítógép szimulációihoz.

Kísérletek chia magokkal (fent), és a szimulációk, amik utánozzák őket (lent), azt mutatják, hogy a Turing mintázatok alakulnak ki a vegetációban versengve a vízért. A fenti sor mutatja, hogy a víz elérhetőség növekedésével hogy változik a mintázat (balról jobbra). A szimulált tájkép hasonló mintázatokat mutat a csapadék növekedésével (balról jobbra). Forrás: https://www.sciencenews.org/article/seeds-alan-turing-patterns-nature-math

Brendan D'Aquini, azt mondja, korábbi tanulmányokban az emberek valahogy visszamenőleg illesztik a modelleket, hogy megfigyeljék a Turing mintázatokat, amiket találtak a világban. De itt ők valóban képesek voltak megmutatni, hogy a fontos paraméterek változásával a modellben olyan kísérleti eredményeket hoz létre, amit vártak.

Bár Turing mintázatot már produkáltak néhány kémiai kísérletben és más mesterséges rendszerben, a csapat úgy véli ez az első alkalom, hogy ami élő vegetációs kísérlettel igazolta Turing matematikai intuícióját.

Az állatok mintaképződésével kapcsolatos első matematikai modellek az elsősorban a számítástudomány területén elért eredményeiről és az Enigma feltöréséről ismert Alan Turing nevéhez fűződnek. Turing 1952-ben jelentette meg A morfogenezis kémiai alapjai című, a természetes minták képződésére vonatkozó elméletét leíró cikkét, melyben azt a gondolatot vetette fel, hogy a biológiai mintázatok egymással reagáló és diffundáló kémiai anyagok (morfogének) hatására alakulhatnak ki. Elmélete szerint kémiai anyagok rendszere, amely diffúzió nélkül stabil állapotba áll be, instabillá válik a diffúzió következtében. Ez első hallásra hihetetlenül hangzik, hiszen a diffúzió (részecskék véletlenszerű áramlása) általában megszünteti a mintázatokat, gondoljunk csak egy vízbe ejtett tintacseppre.Turing elméletének matematikai alátámasztására egy olyan egyenletet alkalmazott, amelyet a matematikusok reakció-diffúzió egyenletnek hívnak. A rendszer reakciót leíró részének van egy stabil egyensúlyi állapota, amely a teljes reakció-diffúzió rendszerben instabillá válik.

(Forrás: ScienceNews: https://www.sciencenews.org/. Dénes Attila: Állati mintázatok)