Codebreaker Turings -teorien forklarer, hvordan hajskæl er mønstret

Et system, der blev foreslået af den anden verdenskrigs kodebryder Alan Turing for mere end 60 år siden, kan forklare mønstring af tandlignende skalaer besat af hajer, ifølge ny forskning.

Forskere fra University of Sheffield Department of Animal and Plant Sciences fandt ud af, at Turings reaktion-diffusionsteori-bredt accepteret som mønstermetoden i musehår og kyllingefjer-også gælder hajskæl.

Resultaterne kan forklare, hvordan mønsteret af hajskalaer har udviklet sig til at reducere træk, mens man svømmer, derved spare energi under bevægelse. Forskere mener, at undersøgelse af mønstring kan hjælpe med at designe nye hajinspirerede materialer for at forbedre energi og transporteffektivitet.

Turing, computerens forfader, kom med reaktionsdiffusionssystemet, der blev udgivet i 1952, to år før hans død. Hans ligninger beskriver, hvordan molekylære signaler kan interagere for at danne komplekse mønstre.

I avisen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab fremskridt , forskere sammenlignede mønstring af hajskæl med kyllingefjer.

De fandt ud af, at de samme kernegener, der ligger til grund for fjermønstre, også ligger til grund for udviklingen af ​​hajskæl og tyder på, at disse gener kan være involveret i mønstring af andre forskellige hvirveldyrs hudstrukturer, såsom rygsøjler og tænder.

Dr. Gareth Fraser, tidligere ved University of Sheffield og nu ved University of Florida, sagde:"Vi begyndte at kigge på kyllinger, og hvordan de udvikler deres fjer. Vi fandt disse meget fine linjer af genekspression det mønster, hvor disse pletter vises, der til sidst vokser til fjer. Vi troede måske, at hajen gør en lignende ting, og vi fandt to rækker på den dorsale overflade, som starter hele processen.

"Vi gik sammen med en matematiker for at finde ud af, hvad mønsteret er, og om vi kan modellere det. Vi fandt ud af, at hajhudtænder er præcist mønstret gennem et sæt ligninger, som Alan Turing - matematikeren, computerforsker og kodebryderen - fandt på.

"Disse ligninger beskriver, hvordan visse kemikalier interagerer under dyreudvikling, og vi fandt ud af, at disse ligninger forklarer mønsteret af disse enheder."

Forskere demonstrerede også, hvordan tilpasning af input fra Turings system kan resultere i forskellige målemønstre, der kan sammenlignes med dem, der ses i hajer og stråler, der lever i dag.

De antyder, at naturlige variationer af Turings system kan have muliggjort udviklingen af ​​forskellige træk inden for disse dyr, herunder levering af trækreduktion og defensiv rustning.

Rory Cooper, Ph.d. studerende ved University of Sheffield, sagde:"Hajer tilhører en gammel gruppe af hvirveldyr, længe adskilt fra de fleste andre kæbede hvirveldyr. At studere deres udvikling giver os en idé om, hvordan hudstrukturer kan have set ud tidligt i hvirveldyrets udvikling.

"Vi ville lære om de udviklingsprocesser, der styrer, hvordan disse forskellige strukturer er mønstret, og derfor de processer, der letter deres forskellige funktioner. "

Forskere brugte en kombination af teknikker, herunder reaktionsdiffusionsmodellering til at skabe en simulering baseret på Turings ligninger, for at demonstrere, at hans system kan forklare hajskala mønstre, når parametrene er indstillet korrekt.

Cooper tilføjede:"Forskere og ingeniører har forsøgt at skabe haj-hudinspirerede materialer for at reducere træk og øge effektiviteten under bevægelse, både af mennesker og køretøjer, i mange år.

"Vores fund hjælper os med at forstå, hvordan hajskæl er mønstret, hvilket er afgørende for at muliggøre deres funktion i trækreduktion.

Derfor, denne forskning hjælper os med at forstå, hvordan disse trækreduktive egenskaber først opstod i hajer, og hvordan de ændrer sig mellem forskellige arter. "

Mønster er et vigtigt aspekt, der bidrager til at opnå trækreduktion i visse hajarter. En anden er formen på individuelle skalaer. Forskere vil nu undersøge de udviklingsprocesser, der ligger til grund for variationen i form både inden for og mellem forskellige hajarter.

"At forstå, hvordan begge disse faktorer bidrager til reduktion af træk, forhåbentlig vil føre til produktion af forbedrede, bredt anvendelige hajinspirerede materialer, der er i stand til at reducere træk og spare energi, "tilføjede hr. Cooper.