《物质》重磅破解63年谜题！细胞大小差异让图灵模式更接近自然！

摘要：斑马独特的黑白条纹和豹子的斑点，都属于“图灵图案”（Turing patterns）的范畴。这个术语源于英国数学家兼计算机科学家艾伦·图灵（Alan Turing），他曾提出一种引人入胜的假说机制，用以解释自然界中这些复杂不规则图案的形成原理。

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许多图灵机制模型产生的图案过于完美；细胞尺寸的变化能显著改善结果。

斑马独特的黑白条纹和豹子的斑点，都属于“图灵图案”（Turing patterns）的范畴。这个术语源于英国数学家兼计算机科学家艾伦·图灵（Alan Turing），他曾提出一种引人入胜的假说机制，用以解释自然界中这些复杂不规则图案的形成原理。

但图灵最初的假说过于简化，无法完全再现这些自然图案。 近日，美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的科学家在《物质》（Matter）期刊发表新论文指出，他们设计出一种新型建模方法——通过引入刻意设计的缺陷，使最终形成的图案精度大幅提升。

图灵在他1952年的开创性论文中，聚焦于被称为形态发生因子（morphogens）的化学物质。他设计出一种机制：表达独特特征（如虎纹）的激活因子，与周期性启动以抑制激活因子表达的抑制因子相互作用。两者都在系统中扩散，如同密闭容器中的气体原子。这类似于向烧杯水中滴入一滴墨水。通常情况下，墨水会使系统趋于稳定，水体逐渐变成均匀的灰色。但若抑制剂的扩散速度快于激活剂，系统便会失稳。 这种机制将形成斑点或条纹。

科学家们已尝试将这一基本概念应用于多种不同系统。例如，大脑中的神经元可充当激活因子或抑制因子——这取决于它们是增强还是抑制邻近神经元的放电活动，这或许解释了我们在产生幻觉时为何会看到特定图案。研究发现，图灵机制也作用于斑马鱼的条纹、小鼠毛囊的间距、鸟类皮肤上的羽苞、小鼠腭部的脊状结构以及小鼠脚掌的趾纹。

某些地中海蚁种会将死蚁尸体堆砌成呈现图灵模式的结构。在墨西哥咖啡农场，阿兹特克蚁群的迁徙中也存在图灵模式的证据。而在2021年，一个西班牙科学家团队成功在实验室改造了大肠杆菌（E. coli），使其菌落呈现出分支状的图灵模式。

本质上，这是一种对称性破缺现象。任何两个作为激活剂与抑制剂的进程都会产生周期性模式，并可通过图灵扩散函数建模。真正的挑战在于，从图灵的简化模型中，精准定位实际在发挥激活与抑制作用的具体机制。

这在生物学领域尤为困难。据最新论文的作者指出，经典的图灵机制模型仅采用单一尺度来平衡反应与扩散，而生物图案常常包含多尺度结构、颗粒状纹理或固有缺陷。 由此生成的图案往往比自然界中的模糊得多。

2023年，美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）生物化学工程师安库尔·古普塔（Ankur Gupta）与本杰明·阿莱西奥（Benjamin Alessio）开发了新模型，将“扩散趋化作用”纳入研究框架。该过程通过溶质浓度梯度差异实现胶体运输——与肥皂在水中扩散时带出织物污垢的原理相同。 古普塔与阿莱西奥成功运用新模型模拟了澳大利亚特有鱼种——华丽箱鱼（Ornate boxfish）身上独特的六边形图案（紫黑相间），其轮廓清晰度远超图灵最初提出的模型。

问题在于，模拟结果过于完美：所有六边形尺寸形状完全一致，间距也完全相同。 然而，自然界中的动物斑纹从不完美均匀。为此，古普塔与他在科罗拉多大学博尔德分校的合著者西亚马克·米尔芬德雷斯基（Siamak Mirfendereski）设法调整模型以获得理想的斑纹输出。他们只需为单个细胞设定特定尺寸：较大细胞形成更粗的轮廓线，聚集时则产生更宽阔的图案；有时细胞会发生拥塞（jamming），从而打破条纹结构。修订后的模拟结果呈现出与自然界高度相似的纹理与图案。

“自然界处处存在不完美之处，”古普塔表示，“我们提出了一个简单理念，能解释细胞如何通过组装形成这些变化。我们正从自然系统的‘不完美之美’中汲取灵感，期待未来能利用这些不完美特性开发新型功能。”

潜在应用包括可变色以融入环境的“智能”伪装织物，或更高效的靶向药物递送系统。