Die leistungsstarke Gleichungen, die die Muster erklären sehen wir in der Natur

Woher kommen ein Zebra Streifen, ein Leopard Spots und unsere Finger? Der Schlüssel wurde vor Jahren – durch den Mann gefunden, den Enigma-Code geknackt.

Im Jahre 1952 ein Mathematiker veröffentlicht eine Reihe von Gleichungen, die versuchte, die Muster zu erklären, was, die wir sehen in der Natur, von der gefleckten Streifen zieren die Rückseite eines Zebras, die quirlige Blätter an einem Pflanzenstängel, oder sogar komplexe stopfte und Falten, die verwandelt eine Kugel aus Zellen eines Organismus. Sein Name war Alan Turing.

Berühmter zum Knacken der Kriegszeit Enigma-Code und seine Beiträge zur Mathematik, Informatik und künstliche Intelligenz, kann es nicht verwundern, dass Turing ein solches Interesse hegte. In der Tat war es eine Erweiterung der seine Faszination mit der Funktionsweise des Geistes und der zugrunde liegenden Natur des Lebens.

Die geheimen Herrlichkeit von Turings Kriegszeit Erfolg war in den 1950er Jahren verblasst, und er war in der grimmig industriellen Grenzen von der University of Manchester verschanzt. In der Theorie war er es, Programme für eines der weltweit ersten elektronischen Computer – ein Sammelsurium von Ventilen, Drähte und Rohre – zu entwickeln, aber fand er sich zunehmend Seite gesäumt von fettigen Fingern Ingenieure, die mehr über Schrauben und Muttern als Zahlen konzentriert waren. Diese Trennung war wohl beabsichtigt auf Turings Teil, anstatt Ausgrenzung auf deren, zu beraten, wie seine Aufmerksamkeit war wegzutreiben computing gegenüber größeren Fragen des Lebens.

Es war eine gute Zeit über Biologie angeregt werden. Forscher auf der ganzen Welt waren damit beschäftigt, um eine Auseinandersetzung mit der Natur der Gene, und James Watson und Francis Crick würde bald zeigen die Struktur der DNA im Jahre 1953. Auch gab es ein wachsendes Interesse an Kybernetik – die Idee der Lebewesen als biologischen Computern, die dekonstruiert, gehackt und wieder aufgebaut werden konnte. Turing wurde schnell angenommen, in einer Bande von bahnbrechenden Wissenschaftler und Mathematiker, bekannt als die Verhältnis-Verein, wo seine Ideen über künstliche Intelligenz und maschinelles lernen begrüßt und gefördert wurden.

Vor diesem Hintergrund nahm Turing ein Thema, das ihn seit der Vorkriegszeit faszinierte. Embryologie – die Wissenschaft des Gebäudes ein Baby aus einer einzigen befruchteten Eizelle – war ein heißes Thema in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, aber Fortschritt gesputtert Stillstand als Wissenschaftler realisiert ihnen fehlte die technischen Werkzeuge und wissenschaftlichen Rahmen um es herauszufinden. Vielleicht einige Denker, wurden die Innenleben des Lebens grundsätzlich unerkennbar;

Turing betrachtet dies als eine Ausrede. Wenn ein Computer könnte, zur Berechnung programmiert werden müssen ein biologisches Organismus auch irgendeine Art der zugrunde liegenden Logik zu.

Er machte sich sammeln Blumen in die Landschaft von Cheshire Arbeit hinterfragen die Muster in der Natur. Dann kam die Gleichungen – komplexe, widerspenstige Tiere, die durch menschliche Hände und Köpfe gelöst werden konnte nicht. Zum Glück den neuesten Computer, ein Ferranti Mark, ich hatte gerade in Manchester angekommen und Turing bald legte es um Knirschen der Zahlen zu arbeiten. Nach und nach, wie er bezog sich darauf, seine "mathematische Theorie der Embryologie", Gestalt anzunehmen begann.

Wie alle die besten wissenschaftlichen Ideen, Turings Theorie war elegant und schlicht: Wiederholung, natürliche Muster konnte durch das Zusammenspiel von zwei Dingen – Moleküle, Zellen, was auch immer – mit besonderen Merkmalen erstellt werden. Durch ein mathematisches Prinzip, dass er "Reaktion-Diffusion" genannt würde diese beiden Komponenten spontan in Flecken, Streifen, Ringe, Wirbel oder gefleckte Blobs selbst zu organisieren.

Insbesondere richtete seine Aufmerksamkeit auf Morphogens – die damals noch unbekannten Moleküle bei der Entwicklung von Organismen, die ihre wachsende Form und Struktur zu steuern. Die Identitäten und Wechselwirkungen dieser Chemikalien waren zu der Zeit, so rätselhaft wie der gleichnamige Kriegszeit Code. Basierend auf bahnbrechenden Experimente an Frosch, Fly und Seeigel Embryonen aus der Wende des 20. Jahrhunderts – mit sorgfältig Ausschneiden und einfügen winzige Stückchen Gewebe auf andere winzige Stückchen Gewebe – wußten Biologen, daß sie da zu sein. Aber sie hatten keine Ahnung, wie sie arbeiteten.

Obwohl die Art der Morphogens ein Geheimnis war, glaubte Turing er den Code geknackt haben könnte. Seine Abhandlung "Die chemische Grundlage der Morphogenese" erschien im August 1952 in den Philosophical Transactions der Royal Society.

Leider Leben nicht Turing lange genug, um herauszufinden, ob er Recht hatte. Er nahm sein eigenes Leben im Jahr 1954 nach einer Verurteilung wegen "grobe Unanständigkeit" und anschließende chemische Kastration – die Strafe dafür offen Homosexuell in einer intoleranten Zeit. In diesen zwei kurzen Jahren gab es wenig zu Wegweiser die Drehungen und Wendungen, die seine Muster in den nächsten 60 Jahren nehmen würde als Biologen und Mathematiker sie zwischen den parallelen Welten der Embryologie und Datenverarbeitung kämpften. Wenn kollidieren, Biologie und Mathematik

In einem engen Büro in London versteckt irgendwo in der 27. Etage des Kerls Hospital, Professor Jeremy Green von Kings College London ist auf einen Bildschirm gerichtet.

Eine Programm, die Turing Muster simuliert wird in einem kleinen Fenster ausgeführt. Oben links befindet sich ein viereckiger Kasten, gefüllt mit sich windenden monochrome Zebra Streifen. Daneben befindet sich eine knifflige Gruppe von Gleichungen. "Es ist erstaunlich, dass Turing mit diesem aus dem nichts kam, wie es überhaupt, nicht intuitiv ist", sagt Green, wie er einen Finger auf die Symbole stößt. "Aber die Gleichungen sind viel weniger furchterregend, als Sie denken."

Die Essenz eines Turing-Systems ist, dass Sie zwei Komponenten haben, die beide können durch den Raum zu verbreiten (oder zumindest Verhalten, als ob sie es tun). Diese könnte etwas von Wellen aus Sand auf einer Düne zu zwei Chemikalien, die durch die klebrige Pampe Zellen in einer sich entwickelnden Embryos zusammenzuhalten. Das wichtigste ist, dass, was auch immer sie sind, die beiden Dinge zu verbreiten, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, eine schneller als die anderen.

Eine Komponente ist Auto-Aktivierung, was bedeutet, dass es die Maschinen aktivieren kann, die mehr von sich selbst macht. Aber dieser Aktivator produziert auch die zweite Komponente – ein Inhibitor, die den Aktivator abschaltet. Entscheidend ist, muss die Inhibitor in einem schnelleren Tempo als Aktivator durch den Raum bewegen.

Das schöne daran ist, dass Turing Systeme vollständig in sich geschlossenes, startet von selbst und selbst organisieren. Nach Green alles, was man braucht, um in Gang zu bringen ist nur ein wenig des Aktivators. Das erste, was, das Sie tut, ist mehr aus sich zu machen. Und was hindert es Hochfahren ewig? Sobald es zu einem gewissen Grad wird schaltet es den Inhibitor, die aufbaut, um ihn zu stoppen.

"Der Weg, um darüber nachzudenken, wie der Aktivator baut es einen Vorsprung hat", sagt grün. "Also Sie am Ende mit, sagen wir, einem schwarzen Streifen, aber die Inhibitor dann baut sich und breitet sich schneller. An einem bestimmten Punkt es holt mit dem Aktivator im Raum und hält es im Keim erstickt. Und das macht ein Streifen."

Aus diesen einfachen Komponenten können Sie eine Welt voller Muster erstellen. Die furchterregenden Gleichungen sind nur eine Möglichkeit, diese beiden Dinge zu beschreiben. Alles, was Sie tun müssen, ist den Bedingungen oder 'Parameter' anpassen. Feinabstimmung der Ausbreitung und Verfall oder ändern wie guten den Aktivator ist selbst einschalten und wie schnell die Inhibitor es heruntergefahren, subtil verändert das Muster um Flecken oder Streifen, Wirbel oder Steinpyramiden zu erstellen.

Trotz seiner Eleganz und Einfachheit an Turings Reaktion – Diffusion Idee wenig Boden mit der Mehrheit der Entwicklungs Biologen zum Zeitpunkt gewonnen. Und ohne den Verfasser um um seine Ideen Meister blieben sie in der Domäne von einem kleinen Haufen von Mathematikern. Bei fehlender handfeste Beweise, dass Turing Mechanismen in jedem lebenden System eine Rolle spielten schien sie eine Ablenkung ordentlich aber irrelevant sein.

Biologen waren damit beschäftigt, die Auseinandersetzung mit ein größeres Geheimnis: wie ein winziger Klecks Zellen organisiert selbst erstelle ich einen Kopf, Schweif, Arme, Beine und alles dazwischen, um einen neuen Organismus zu bauen.

In den späten 1960er Jahren eine neue Erklärung erschienen, von der herausragenden und überzeugenden Embryologe Lewis Wolpert verfochten und durch die Legion von Entwicklungs Biologen, die in seine Fußstapfen empor getragen. Das Konzept der "Positionsinformationen" deutet darauf hin, dass Zellen in einer sich entwickelnden Embryos spüren, wo sie in Bezug auf eine zugrunde liegende Karte der molekularen Signale (die geheimnisvolle Morphogens) sind. Zur Erläuterung winkte Wolpert die französische Flagge.

Stellen Sie sich einen rechteckigen Block von Zellen in der Form einer Flagge. Ein Streifen der Zellen entlang der linken Kante sind ein gestaltbildenden Abpumpen – nennen wir es Striper –, die allmählich breitet sich aus, erstellen ein glattes Verlaufs des Signals, von links nach rechts von hoch zu niedrig. Spüren die Ebenen der Striper um sie herum, beginnen die Zellen entsprechend zu handeln. Diejenigen auf die Linkskurve blau, wenn das Niveau der Striper ab einem bestimmten spezifischen Schwellenwert ist, werden die in der Mitte weiß als Reaktion auf die mittelmäßige Striper sie erkennen, während diejenigen auf der rechten Seite, in den sehr niedrigen Mengen von Striper, Baden gehen, rot. Et voilà-flag die Franzosen.

Wolpert Flagge Modell war einfach zu begreifen, und Entwicklungs Biologen liebte es. Alles, was Sie tun musste, um den Organismus zu bauen war, eine Landschaft von gestaltbildenden Gradienten einzurichten, und Zellen würden genau wissen, was zu werden – ein bisschen wie Malen nach Zahlen. Noch wichtiger ist, war es klar, Forscher, die es funktionierte im wirklichen Leben, dank Hühner.

Noch heute sind Hühnerembryos eine attraktive Möglichkeit, Tierentwicklung zu studieren. Wissenschaftler können schneiden Sie ein Fenster in der Shell ein befruchtetes Hühnerei zu beobachten das Küken im Inneren, und sogar mit einer Pinzette zu manipulieren, den wachsende Embryo tüfteln. Darüber hinaus haben die Chicken Wings drei lange knöcherne Strukturen, die in der Spitze, analog zu unseren Finger vergraben. Jedes Zimmer ist anders – wie die drei Streifen eine französische Flagge – so dass sie das perfekte System für Wolperts Idee testen.

In einer Reihe von Wahrzeichen Experimente in den 1960er Jahren, John Saunders und Mary Gasseling Marquette Universität Wisconsin sorgfältig schneiden Sie ein Stück von der unteren Seite eine Entwicklung Küken Flügel Bud – stellen Sie sich dabei ein Stück von der Kante der Hand durch den kleinen Finger – und steckte ihn an den oberen Daumenseite.

Statt der üblichen drei Ziffern (Daumen, mittleren und kleinen "Finger") hatte das resultierende Huhn einen Spiegel Flügel – Mitte, Daumen, Daumen, nahen, kleinen Finger, kleinen Finger. Die offensichtliche Schlussfolgerung war, dass die Region von der Basis des Flügels einen gestaltbildenden Gradienten produzierte. Hohe Niveaus des Verlaufs der Flügel-Zellen zu einem kleinen Finger erzählt, die mittlere Ziffer und niedrigem Niveau machte einen Daumen angewiesen mittelmäßig sind.

Es war schwer, mit einem endgültigen Ergebnis zu argumentieren. Aber der Geist von Turings Idee spukt noch die Fransen der Biologie.

Im Jahr 1979 verursacht Physiker-gedreht-Biologe und ein physikalischer Chemiker ein wenig Aufsehen. Stuart Newman und Harry Frisch veröffentlichte ein Papier in der renommierten Fachzeitschrift Science zeigt, wie ein Turing-Typ-Mechanismus die Musterung in ein Huhn Fingern erklären könnte.

Sie vereinfacht das entwickelnde dreidimensionale Glied in ein flaches Rechteck und Reaktion – Diffusion Gleichungen, die Wellen von einer imaginären Ziffer-Herstellung gestaltbildenden darin erzeugen würden, wie es wuchs herausgefunden. Die Muster von Newman und Frischs Modell generiert sind klobig und quadratisch, aber sie sehen unverkennbar wie die Knochen einer Roboter-Hand.

Sie argumentierten, dass eine zugrunde liegende Turing-Muster die Finger, die dann ihre individuellen Eigenschaften durch irgendeine Art macht von darüberliegenden gegeben werden Gradienten – von der Sorte vorgeschlagen durch die französische Flagge Modell – im Gegensatz zu den Verlauf selbst Regie die Schaffung der Ziffern.

"Menschen wurden in den 1970er Jahren noch in einem explorativen Modus und Turings eigenen Papier war zu diesem Zeitpunkt erst 25 Jahre alt." Wissenschaftler waren zum ersten Mal davon hören und es war interessant,"sagt Newman, jetzt am New York Medical College in den USA. "Ich hatte das Glück, Physik-orientierte Biologen Rezensent von meiner Arbeit bekommen – gab es keine Ideologie auf die Extremität, die eingesetzt hatte, und Leute waren immer noch Fragen, wie es geklappt."

Es war eine glaubwürdige Alternative zur Wolpert gradient Idee, prominent in einer führenden Fachzeitschrift veröffentlicht. Nach Newman war die Rezeption zunächst warm. "Gleich nachdem es veröffentlicht wurde, schrieb eine Wolpert Mitarbeiter, Dennis Summerbell, mir einen Brief, dass sie die Turing-Idee betrachten musste, war es sehr wichtig. Es folgte Stille."

Ein Jahr später, hatte Summerbells Ansicht geändert. Er veröffentlichte ein gemeinsames Papier mit Biologe Jonathan Cooke, die deutlich gemacht, dass er nicht mehr eine gültige Idee als. Newman war schockiert. "Ab diesem Zeitpunkt niemand in dieser Gruppe jemals erwähnt es, mit einer Ausnahme – Lewis Wolpert selbst einmal zitiert unser Papier in einem Symposium-Bericht im Jahr 1989 und wies ihn."

Die Mehrheit der Entwicklungsbiologie Gemeinschaft hielt Turing Muster wichtig überhaupt nicht. Fans der Positionsinformationen Modell schlossen die Reihen gegen Newman. Die Einladungen auf wissenschaftlichen Tagungen sprechen ausgetrocknet. Es wurde schwierig für ihn zu veröffentlichen, Papiere und erhalten Finanzierung Turing Modelle zu verfolgen. Papier nach Papier kam von Wissenschaftlern, die die französische Flagge Modell unterstützt.

Newman, erklärt: "viele von ihnen hat ein Redakteur bei Zeitschriften – ich wusste, dass einige Kollegen, die das Gefühl, dass ihnen unsere Ideen aus einigen guten Zeitschriften halten unter Druck gesetzt wurde. In anderen Bereichen waren die Menschen so offen für neue Ideen, wie man erwarten könnte, aber denn Wolpert und seine wissenschaftlichen Nachkommen also seine Idee verpflichtet waren, es Bestandteil der Kultur der Extremität Welt wurde. Alle Sitzungen und Sonderausgaben von Zeitschriften waren alle um ihn herum, zentriert so war es sehr schwer zu verdrängen."

Weitere Schläge kamen aus der Taufliege Drosophila Melanogaster – Entwicklungs Biologen geliebten einen anderen Organismus. Eine Zeitlang galten die reglementierten Streifen, dass Form in der Fliege Embryo entwickelt ist durch einen Turing-Mechanismus zu entwickeln. Aber schließlich erwies sie sich durch das komplexe Zusammenspiel von gestaltbildenden Gradienten aktivieren spezifische Muster der Genaktivität am richtigen Ort zur richtigen Zeit, anstatt selbst striping System geschaffen werden. Die Fliege im Auge

Newman wurde durch den Ausfall der Forschungsgemeinschaft, seine Idee ernst, trotz unzähligen Stunden der Weiterarbeit an den mathematischen und molekularen Seiten enttäuscht. Seit Jahrzehnten seine und Frischs Papier Zahlen in der Dunkelheit spuken die gleichen wissenschaftlichen Gebiet als Turings original Papier.

Hoch oben in der Mitte für Genomic Verordnung in Barcelona ein Büro mit bunten Bildern von embryonalen Maus Pfoten tapeziert ist. Jeder zeigt ordentliche Streifen entwickeln Knochen fanning heraus innen Blob-wie angehende Gliedmaßen – was den Raum Dekorateur, Systeme Biologe James Sharpe, ist überzeugt von Turings Modell erklärt werden können.

Turings Idee ist einfach, so dass man sich leicht vorstellen, wie es das Muster erklären könnte, sehen wir in der Natur. Und das ist ein Teil des Problems, denn eine einfachere Abbild ist Beweis dafür, dass ein System bei der Arbeit – es ist wie das Gesicht von Jesus in einem Stück Toast zu sehen. Biologische gerade So Geschichten zu erzählen über wie es gekommen sein, ist ein gefährliches Spiel, doch diese Art des Denkens wurde verwendet, um die französische Flagge Modell zu rechtfertigen.

Sharpes Ansicht war es das Huhn Schuld. "Wenn Studien der Extremität Entwicklung mit einer Maus begonnen hatte", sagt er, "die ganze Geschichte wäre ganz anders gewesen."

Seiner Meinung nach hatte eine eingebaute Voreingenommenheit Recht von Anfang an, die Ziffern grundlegend voneinander unterscheiden, erfordern spezifische individuelle Anweisungen jeweils waren (bereitgestellt durch präzise Morphogen "Koordinaten", nach dem Vorbild der französischen Flagge). Dies war eines der wichtigsten Argumente gegen eine Rolle für Turing Muster Extremität Entwicklung beteiligt zu sein – sie können immer nur wieder genau dasselbe, wie einen Streifen oder ein Ort generieren.

Wie könnte ein Turing-System die drei markanten Stellen ein Küken Extremität erstellen? Sicherlich muss jeweils aufgefordert werden, in gewisser Weise wachsen durch eine zugrunde liegende Steigung 'Karte'? Aber eine Küken hat nur drei Finger. "Hätten sie 20, Sie sehen würde, dass das nicht der Fall war", sagt Sharpe, wackeln mit seinen Fingern auf mich durch Demonstration. "sie würden alle einander sehr viel ähnlich aussehen."

Ich schaue auf meine eigene Hand und seinen Standpunkt zu sehen. Ich habe vier Finger und einen Daumen, und jeder Finger scheint nicht besonders einzigartige eigene Identität haben. Sicher, es gibt feine Unterschiede in der Größe, aber sie sind im Grunde das gleiche. Nach Sharpe, der beste Beweis, dass sie nicht, dass die verschiedenen stammt aus einer offensichtlichen, aber falsche Annahmen über den Körper:, dass die Menschen immer fünf Finger.

In Wirklichkeit ist die Anzahl der Finger und Zehen eines der wenigsten robuste Dinge über die Art, wie, die wir gemacht sind. "Wir nicht fünf immer haben", sagt er, "und es ist überraschend häufig mehr haben." In der Tat, es wird angenommen, dass bis zu einer von 500 Kinder mit zusätzlichen Ziffern auf ihre Hände oder Füße entsteht. Und während die französische Flagge Modell für dieses Konto kann nicht, Turing-Muster können.

Per Definition sind Turing Systeme selbstorganisierenden, konsistente Muster mit bestimmten Eigenschaften abhängig von den Parametern erstellen. Bei einem Streifenmuster, das bedeutet, dass die gleiche Set-up immer Streifen mit der gleichen entsteht Distanz (oder Wellenlänge, als Mathematiker nennen es) dazwischen. Wenn Sie das Muster stören, versucht zum Beispiel durch das Entfernen ein Stück das System die fehlenden Bits in einer sehr charakteristischen Weise ausfüllen. Und während Turing-Systeme generieren sich wiederholende Muster mit einer einheitlichen Wellenlänge z. B. normalgroße Finger gut sind, sind sie weniger gut zu zählen, wie viele sie haben gemacht, damit die Bonus-Ziffern.

Wichtig ist, kann ein bestimmtes Turing-System das gleiche nur immer und immer wieder machen. Aber hinsehen, um den Körper und es gibt viele Beispiele der Strukturen zu wiederholen. Bei vielen Tieren sind einschließlich uns selbst, die Finger und Zehen mehr oder weniger alle gleich. Aber, nach dem Vorbild der Flagge, Strukturen, die als Reaktion auf verschiedenen Ebenen der gestaltbildenden alle hätte, anders zu sein. Wie die Tatsache zu erklären, die das gleiche "von einem höheren und niedrigeren Morphogen ausgelesen werden kann"?

Sharpe behauptet, dass das Konzept von einem zugrunde liegenden molekularen 'Road Map' nicht gerade halten. "Ich glaube nicht, dass es ist eine Übertreibung zu sagen, dass für eine lange Zeit ein Großteil der Entwicklungsbiologie Gemeinschaft gedacht hat, haben Sie diesen Meeren von Gradienten waschen über eines ganzen Organs. "Und weil sie in verschiedene Richtungen gehen, jedes Teil der Orgel hat eine andere Koordinate."

2012 – der Hundertjahrfeier von Turings Geburt und 60 Jahren seit seiner "chemischen Morphogenese" Papier – Sharpe hat gezeigt, dass diese Idee (zumindest in den Gliedmaßen) war falsch.

Der Beweis zeigte sich fein säuberlich in einem Papier von Sharpe und Maria Ros an der Universität von Kantabrien in Spanien, in Science veröffentlicht. ROS verwendet gentechnischer Methoden systematisch entfernen von Mitgliedern einer bestimmten Familie von Genen von Mäusen. Ihre Ziele waren die Hox-Gene, die eine wesentliche Rolle bei der Organisation des Körper Plans von einem sich entwickelnden Embryos, einschließlich Musterung Maus Pfoten und menschliche Hände spielen.

Abschaffung aller diese wichtigen Regulatoren zu erwarten haben einige ziemlich große Effekte, aber was die Forscher sah positiv wunderlichen war. Wie sie mehr und mehr von den 39 Hox-Gene in Mäusen gefunden ausgeschlagen, hatten die daraus resultierenden Tiere immer mehr Finger auf ihren Pfoten, gehen bis zu 15 bei den Tieren fehlt die meisten Gene.

Wichtiger ist, bekam, wie mehr Hox-Gene geschnitten wurden und mehr Finger erschien, die Abstände dazwischen kleiner. Die gestiegene Zahl der Finger war also nicht durch größere Pfoten, sondern kleinere Streifen passend in den gleichen Raum – eine klassische Markenzeichen ein Turing-System, das noch nie vor der Maus Gliedmaßen beobachtet hatte. Wenn Sharpe die Zahlen knirschte, könnte Turings Gleichungen für die zusätzlichen Finger Konto sehen wurden Ros und ihr Team.

Das ist toll für die nahezu identische Ziffern einer Maus, ich sage, aber es erklärt nicht, warum die Küken drei Ziffern so unterschiedlich sind. Sharpe kritzelt auf ein Blatt Papier, zeichnen ein Venn-Diagramm zwei maroden überlappende Kreise. Man ist "PI" für Positionsinformationen À la Wolpert gekennzeichnet, andererseits "Also" für selbstorganisierende Systeme wie Turing Muster. Klopfen Sie mit seiner Feder, sagt er, "die Antwort ist nicht, dass Turing ist richtig und Wolpert war falsch, aber es ist eine Kombination bei der Arbeit."

Wolpert selbst hat, zu einem gewissen Grad, räumte ein, dass eine Turing-System Musterung Finger werden könnte. Aber es kann nicht, durch Definition, die Unterschiede zwischen ihnen vermitteln. Gestaltbildenden Gradienten müssen auf dieses etablierten Muster, um den Ziffern geben ihre individuellen Eigenschaften von Daumen, Pinky, heiraten zusammen Wolperts Positionsinformationen Idee mit selbstorganisierenden Turings arbeiten.

Weitere Praxisbeispiele Turing-Systeme, die ruhig in den letzten zwei Jahrzehnten angesammelt haben sind jetzt wahrgenommen. Eine 1990 Papier aus einem Trio der französische Chemiker beschrieben der erste eindeutige experimentelle Nachweis einer Turing-Struktur: sie bemerkten eine Bande von regelmäßigen Flecken in einem Streifen von Gel, wo eine Farbe erzeugenden Reaktion geschah – verräterische Zeichen des Systems bei der Arbeit erscheinen.

Während Studium elegant gestreift marine Kaiserfisch, japanische Forscher Shigeru Kondo bemerkt, dass, anstatt ihre Streifen immer größer als die alten Fisch (wie bei Säugetieren wie Zebras), sie hielten das gleiche Abstand aber erhöhte Zahl, Verzweigung, um den verfügbaren Platz auszufüllen. Computermodelle ergab, dass eine Turing-Muster die einzige Erklärung sein könnte. Kondo fuhr fort, um zu zeigen, dass die Streifen entlang der Länge einer Zebrafisch auch durch Turings Mathe, in diesem Fall durch zwei verschiedene Arten von Zellen, die Interaktion mit einander, anstatt zwei Molekülen erklärt werden können.

Es stellt sich heraus, dass die gemusterte Mäntel Katzen von Geparden und Leoparden zu inländischen Tabbies Turing Mechanismen zum Ausfüllen der biologischen Leinwand der Haut resultieren. Die Verteilung der Hair follicles auf den Kopf und die Federn auf Vögel sind auch dank Turing-Typ Selbstorganisation.

Andere Forscher konzentrieren sich auf wie Turings Mathematik kann erklären, die Art und Weise Rohre innerhalb des Embryos entwickeln Brust Split über und über wieder zart, erstellen verzweigte Lungen. Auch die regelmäßigen Raster der Zähne in unsere Kiefer kamen wahrscheinlich durch Turing-artige Musterung.

Inzwischen hat in London, Jeremy Green auch festgestellt, dass die Rugae auf dem Dach des Mundes – wiederholte Bergrücken direkt über Ihre vorderen Zähne, die leicht verbrennen, wenn Sie ein zu heißes Stück Pizza essen – ihre Existenz einem Turing-Muster verdanken.

Sowie Fischhäute, Federn, Fell, Zähne, Rugae und die Knochen in unseren Händen denkt James Sharpe es gibt viele andere Teile des Körpers, die durch selbst organisieren Turing Muster mit Positionsinformationen legte an der Spitze geschaffen werden könnte. Für den Anfang während unserer Ziffern eindeutig Streifen sind, könnte die gruppierten Knochen des Handgelenks als Flecken angesehen werden. Diese können leicht mit ein paar Kniffe zu einem Turing Gleichungsparameter gestellt werden.

Sharpe hat einige umstritteneren Ideen für, wo der Mechanismus könnte bei der Arbeit – vielleicht Musterung die regelmäßige Anordnung der Rippen und Wirbel unserer Wirbelsäule angerannt. Er vermutet sogar, dass die berühmten Streifen bei Drosophila Embryos haben mehr mit Turing Musterung zu tun, als der Rest der Entwicklungsbiologie Gemeinschaft hätte erwarten kann.

Angesichts der Tatsache, dass er in einem Gebäude in horizontalen Holzlatten verkleidet funktioniert, Frage ich, ob er begonnen hat, Turing Muster überall zu sehen, wie er aussieht. "Ich habe durch diese Phase", lacht er. "Während das Jubiläumsjahr war wirklich Turing überall." Die spannende Möglichkeit für mich ist, dass wir falsch verstanden haben, dass eine ganze Menge von Systemen und wie einfach es sein kann, zu verleiten uns – und die ganze Gemeinde – nur So Geschichten, die scheinen zu passen und mit ihnen glücklich zu sein."

Stuart Newman verpflichtet sich, seine 1979 Theorie nun wieder aus dem Schatten. "Wenn Sie zerren an einen Thread starten, wird eine Menge Dinge auseinander fallen wenn Sie auf dem richtigen Weg sind. Sie wollen nicht reden, nicht, weil es ist falsch – es ist einfach, etwas zu entlassen, das stimmt – aber wahrscheinlich, weil es richtig ist. Und ich denke, das ist, was ausgefallen, um der Fall zu sein."

Langsam aber sicher, Forscher sind die Rolle der Turing-Systeme bei der Schaffung von biologischer Strukturen zusammensetzen. Aber bis vor kurzem gab es noch eine Sache zu beweisen, dass es eine Turing Muster bei der Arbeit in der Extremität erforderlich: die Identität der beiden Komponenten, die es zu fahren.

Geheimnis von James Sharpe und seinem Team in einem Papier jetzt gelöst hat im August 2014 erneut veröffentlicht in der Zeitschrift Science. Fünf Jahre in der Herstellung, vereint es zarte Embryo Arbeit mit hardcore Zahlenverarbeitung.

Sharpe herausgefunden, dass Komponenten für Kraftstoff eine Turing-Muster in den Gliedmaßen zeigen müssen ein Streifenmuster, die sehr frühen Entwicklung spiegelt die Finger – entweder in der Zukunft eingeschaltet Finger und ab in den Zellen bestimmt, um die Lücken zu werden oder umgekehrt.

Um sie zu finden, abgeholt Studentin Jelena Raspopovic Zellen eine entwickelnde Maus Glied Knospe, in der nur der geringsten Anflug von Gen-Aktivität zu Ziffer Bildung führt gesehen werden kann. Nach der Trennung der zwei Arten von Zellen und viel mühsamer molekulare Analyse, herausgesprungen einige interessante molekulare verdächtige. Mit Computermodellierung konnte Sharpe genau rekapitulieren eine schrittweise Darstellung von Ziffern, die gespiegelt, was sie sahen, in die eigentliche Maus Pfote, basierend auf die Aktivitätsmuster dieser Komponenten.

Faszinierenderweise denkt Sharpe im Gegensatz zum ordentlichen zweiteiligen von Turing geltend gemacht, dass drei verschiedene Moleküle in den Gliedmaßen, Finger machen zusammenarbeiten. Einer ist Sox9, ein Protein, das Zellen "Knochen hier machen" sagt die Entwicklung stellen. Die anderen sind Signale von zwei biologischen Messenger-Systeme: eine genannt BMP (Knochen morphogenetische Protein) signalisieren, schaltet die Sox9 in den Fingern und einen anderen Messenger-Molekül bekannt als WNT (ausgesprochen "Wint"), das schaltet es in den Lücken zwischen den Fingern.

Obwohl klassische Turing Systemen nur zwei Komponenten – ein Aktivator und Hemmstoff – aufgerufen ist diese Situation ein wenig komplizierter. "Es scheint nicht zu kochen auf buchstäblich nur zwei Dinge", erklärt Sharpe. "Wirkliche biologische Netzwerke sind komplex und in unserem Fall haben wir es bis zu zwei Signalwege anstatt zwei spezifische Moleküle gekocht." "

Weitere Bestätigung kam, als sie anders – aus dem Modell für den Embryo gingen. Ein weiterer Sharpes Schüler, Luciano Marcon, optimiert das Programm zu sehen, was mit den Mustern passieren würde, wenn jeder Signalweg abgelehnt wurde. In der Simulation führte Verringerung der BMP Signalisierung zu eine computergenerierte Pfote mit keine Finger. Im Gegensatz dazu vorhergesagt Umklappen WNT ein Glied völlig gebildet von den Ziffern miteinander verschmolzen.

Wenn in der Praxis getestet, wurde mit winzigen Klumpen von Gliedmaßen Knospe Gewebe aus frühen Mausembryonen entnommen und in Petrischalen angebaut, diese Vorhersagen wahr. Behandlung der Kulturen mit Medikamenten, die jeden Weg hinunter zu dämpfen produziert genau was das Programm vorhergesagt hatte – keine Finger oder alle Finger. Eine alternative-Simulation mit beide Signale gleichzeitig lehnte prognostiziert zwei oder drei dicke Fingern statt ordentlich fünfstellig. Über beide Medikamente auf einmal auf echte Maus Glied Knospen erstellt wieder genau das gleiche Muster. Vom Modell zum Embryo und wieder zurück – die prüfbar Vorhersagen, die durch Experimente bestätigt werden – Flip ist ein Kernstück des Beweises, die Dinge auf die Art und Weise arbeiten, die Sharpe denkt.

Und wenn die Theorie schließlich akzeptiert und wir herausfinden, wie und wo Turing-Systeme verwendet werden, um Strukturen in der Natur zu schaffen, was können wir tun, mit diesem Wissen? Eine ganze Menge nach Jeremy Green.

"Sie können Leben ohne Rugae aber die Dinge wie Ihre Herzklappen oder den ganzen Gaumen, sie wirklich wichtig," sagt er. "Die regenerative Mediziner arbeiten auf jeder Stammzell-Technologie oder Zelle Therapie in der Zukunft werden müssen verstehen, wie diese hergestellt werden. Wachstumsfaktor-Forschung in den 1980er Jahren wurde das Fundament für den Stammzell-Therapien, die anfangen zu klinischen Studien eingehen, aber es begeistert die ganze Welt der regenerativen Medizin. Das ist die Art der Zeitskala, was wir reden."

Guys Hospital sieht er close-up, was passiert, wenn Entwicklung schief geht. Seine Abteilung ist spezialisiert auf Missbildungen im Gesicht und Schädel, und grün ist der Auffassung, dass das Verständnis der zugrunde liegenden molekularen Schrauben und Muttern der Schlüssel zur Fixierung. "Was wir jetzt tun ist sehr theoretisch, und wir können phantasieren über wie es wird nützlich sein, aber in 25 Jahren, das ist die Art von wissen müssen wir haben. Es werde wahrscheinlich genommen werden, bis dahin selbstverständlich, aber wir müssen wissen, das Turing alles um einen besseren Körper bauen zu können."

In den letzten Lebensjahren Turings sah er seine mathematischen Traum – eine programmierbare elektronische Computer-sputter-entstanden aus einer temperamentvollen Sammlung von Leitungen und Rohren. Damals war es in der Lage, Knirschen ein paar Zahlen im Schneckentempo voran. Heute ist das Smartphone in der Tasche verpackt, mit Computertechnologie, die seine Meinung geblasen haben würde. Es hat fast ein anderes Leben, seine biologische Vision in wissenschaftliche Realität zu bringen, aber es dreht sich um mehr als eine nette Erklärung und einige ausgefallene Gleichungen werden.

Referenzen

• Turings original 1952 Papier "Die chemische Grundlage der Morphogenese", umreißt seine Ideen und die Gleichungen, die sie zu unterstützen.
• James Sharpe und Maria Ross 2012 Papier, zeigen, dass eine Turing-Muster bei Arbeiten in der Maus Extremität.
• Die 2014 Follow-up, enthüllt die Moleküle in den Gliedmaßen-Musterung Turing System beteiligt.
• Die endgültige Biographie von Alan Turing, durch Andrew Hodges.
• Eine einfache Erklärung der Funktionsweise von Turing Muster in biologischen Systemen von Kele Cable.
• Chemie-Welt blickt zurück auf die Geschichte der Turing-Muster in physikalischer und biologischer Systeme.

Mitwirkende

• Autor: Kat Arney
• Herausgeber: Mun-Keat Looi
• Dokumentarfilmer: Cameron Bird
• Lektorat: Rob Reddick
• Illustrator: Job Boot
• Künstlerischer Leiter: Peta Bell

Dieser Artikel erschien am Mosaik und ist hier unter Creative Commons Lizenz veröffentlicht. Mosaik widmet sich der Erforschung der Wissenschaft vom Leben. Jede Woche veröffentlicht er eine Funktion auf einen Aspekt der Biologie oder Medizin, die unser Leben, unsere Gesundheit oder unserer Gesellschaft beeinflusst; Es erzählt die Geschichten mit echter Tiefe Ideen, Trends und Leute, die modernen Biowissenschaften zu fahren. Mosaik wird herausgegeben von der Wellcome Trust, eine globale, gemeinnützige Stiftung, die außerordentliche Verbesserungen in menschliche und tierische Gesundheit sucht. Es behandelt Themen, die mit dem Vertrauen Mission und Vision passen, aber nicht beschränkt auf die Forschung der Treuhandfonds.

Bilder von Marie und Alistair Knock, Tambako The Jaguar, Flavio Bastos Amiel und Michael Dales unter Creative Commons Lizenz.