迷你世界Laplace 图版 16 — 花纹

图版 16 · 生命

斑点和条纹从哪里来

没有谁给豹子画上斑点,也没有谁给鱼描上条纹。1952 年,数学家图灵想到:只要两种物质一边反应、一边以不同的速度扩散,花纹就可能自己长出来。

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01

一个会复制的,一个当燃料

想象皮肤里有两种物质。一种能复制自己,但复制时要消耗另一种;另一种就像燃料,从四周不断补充进来。

关键在于速度:燃料扩散得比复制者快一倍。哪里的复制者多起来,就把附近的燃料吃光,周围就再也长不出新的复制者。

红色:会复制的物质 · 蓝色:燃料

02

隔开一段距离

于是复制者只能在离已有斑点足够远、燃料还充足的地方再长起来。斑点和斑点之间,就隔开了差不多相同的距离。

这样的花纹不需要任何“蓝图”。每一点只管自己的邻居,整体的规律却自己出现了。

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换个配方

只要稍稍改变燃料补充的快慢、复制者消失的快慢,同样的规则就会长出完全不同的花纹:斑点、弯弯曲曲的条纹,或者布满小孔的网。

自然界里,豹子、长颈鹿、斑马和许多鱼身上的花纹各不相同,可能就是因为配方不同。

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身体越大,斑点越多

配方决定的是斑点之间的距离,而不是斑点的个数。同样的配方,放在长和宽都大一倍的皮肤上,斑点大约会变成原来的四倍,每个斑点却一样大。

有些动物的花纹会一边长身体一边重新排布,比如下面要讲的海水神仙鱼:身体变大,添的是新条纹,而不是把旧条纹撑宽。不过豹子、长颈鹿的斑点在出生前就定好了,之后只是跟着身体一起长大。

同一个配方 · 两种身体大小

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真的动物

1995 年,日本生物学家近藤滋和浅井理人发现,一种海水神仙鱼(半环刺盖鱼)长大时,新的条纹会出现在旧条纹之间的空隙里,条纹的间距大致保持不变,正像图灵的模型预言的那样。

后来的研究发现,在斑马鱼身上,不同的色素细胞扮演了这两种“物质”的角色:挨得近时,它们互相排挤;离得远一些时,一种又帮另一种活下来。图灵的想法也被用来解释手指和脚趾的排列、口腔上颚的褶皱。但并不是所有花纹都这样形成,科学家还在继续研究。

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你来试试

选一个配方,看花纹怎样长出来;点一下鱼的身体,在那里放进一点复制者,看它怎样长开、分裂,最后排进整体的花纹里。

试一试选“斑点”,按两次“从头开始”:什么变了,什么没变?

模型省略了什么

这里用的是 Gray–Scott 模型,它是图灵想法最简单的几种版本之一:一种物质复制自己、消耗另一种。真实动物的皮肤里,起作用的往往是细胞和信号分子,数量远不止两种,皮肤还在不停生长。鱼的身体是示意的;花纹是在一块方形的“皮肤”上算出来再包到身上的。

一个常见的误解

花纹不是由基因一笔一笔“画”上去的,基因里并没有每个斑点的位置。基因决定的是那些物质怎样反应、扩散得多快;具体的斑点长在哪里,是在发育时自己长出来的,所以每只豹子的斑点都不一样。

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