精子运动也遵循着图灵提出的图案形成理论

　　著名数学家艾伦·图灵（Alan Turing）认为，化学物质相互作用创造了自然界中的图案，比如斑马的条纹和美洲豹的斑点。一项新研究表明，这些图案的数学基础也支配着精子尾巴的运动方式。

　　

著名数学家艾伦·图灵（Alan Turing）认为，化学物质相互作用创造了自然界中的图案，比如斑马的条纹和美洲豹的斑点。一项新研究表明，这些图案的数学基础也支配着精子尾巴的运动方式。

这项发表在《Nature Communications》杂志上的研究结果表明，鞭毛运动（比如精子尾巴和纤毛）也遵循着图灵发现的图案形成理论。

鞭毛的波动在时空中形成条纹图案，产生的波浪沿着尾部传播，推动精子和微生物前进。

艾伦·图灵因在二战期间协助破译德军密码而闻名。不过，他还提出了一种图案形成理论，预测化学图案可能会自发出现，只需要两个要素：化学物质扩散和共同反应。图灵首先提出了所谓的反应扩散（reaction-diffusion）理论来解释图案形成。

如今，这些最初由图灵设想的化学图案被称为图灵图案。尽管还没有实验证据证明，但人们认为这种模式支配着自然界中的许多图案，比如豹子的斑点、向日葵头部的轮状种子和海滩上的沙子图案。图灵的理论可以应用在各个领域，从生物学、机器人到天体物理学。

英国布里斯托尔大学的数学家Hermes Gadêlha博士和他的博士生James Cass开展了这项新研究。Gadêlha解释说：“鞭毛和纤毛的自发运动在自然界随处可见，但人们对它们是如何控制的还知之甚少。

研究小组的灵感来源于最近对低粘度液体的观察，即周围环境对鞭毛的影响很小。他们使用数学模型、模拟和数据拟合来证明，鞭毛波动可以在不受流体环境影响的情况下自发产生。从数学上讲，这相当于图灵的反应扩散系统，它最初是针对化学图案提出的。

在精子游动的情况中，分子马达的化学反应为鞭毛提供动力，弯曲运动以波浪的形式沿着尾部扩散。他们认为，视觉模式和运动模式之间有着惊人的共性水平，这表明只需要两个简单的元素就可以实现高度复杂的运动。

Gadêlha博士补充说：“我们发现，两个亲缘关系很远的物种（牛精子和衣藻）都遵循了这一数学理论，表明大自然复制了类似的解决方案。”

“即使鞭毛不受周围液体的影响，波浪也会自发出现。这意味着鞭毛有一种万无一失的机制，可以在低粘度环境中游泳，否则水生物种就无法做到这一点。这是第一次将模型模拟与实验数据进行很好的对比。”

未来，这些发现也许能更好地了解与鞭毛运动异常和其他纤毛疾病相关的生育问题。

由于研究团队发现了一个简单的“数学配方”来生成运动模式，因此还可以进一步探索机器人应用、人造肌肉和活动材料。Gadêlha博士也是布里斯托机器人实验室SoftLab的成员之一，他使用图案形成数学理论来改进下一代软体机器人（soft-robots）。

“1952年，图灵解锁了化学图案的反应扩散基础，”Gadêlha博士说。“我们展示了细胞世界中的运动‘原子’——鞭毛，使用图灵的模板来塑造运动模式，从而推动精子向前运动。

“尽管这是从数学上解码自然界中的自发活动，但我们的反应扩散模型过于简单，无法完全捕捉到所有的复杂性。在模型空间中，可能还存在其他模型，它们与实验的拟合程度相同甚至更好，只是我们还不知道它们的存在，因此还需要进行大量的研究！”