圖靈斑圖：生命圖案的奧秘 | 混亂博物館

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在自然界紛繁複雜的生命現象中，有許多都能形成精緻的圖案。我們曾經用簡單的規律模擬了沃洛諾伊圖，欣賞了它的獨特魅力，而在這一期里，我們還會欣賞另一種異曲同工的斑點圖案。

圖靈斑圖，計算機科學之父留下的饋贈，是在具體規律下，微觀結構反應擴散後的產物，這又與以往的生命遊戲暗中關聯，它讓我們瞥見秩序如何從混沌中湧現出來，表現為生命活動中的複雜現象。

－文字稿－

生命現象呈現出許許多多的圖案，背後不乏精妙的原理，除了昆蟲和植物身上常見的沃洛諾伊圖，我們還常常在脊椎動物身上看到一種在隨機中蘊含著秩序的斑點或條紋圖案。

比如很受熱帶魚愛好者青睞的七彩盤麗魚，身上就總有這種混合了斑點和條紋的圖案，幼年的皇帝刺蓋魚和成年的青鯨鸚嘴魚也是這樣，但更顯著的是姆布魨，它身上的斑點和條紋組合出了一種說不清道不明的秩序——以這種秩序構建的圖案，就被稱為「圖靈斑圖」。

這個圖靈就是「計算機科學與人工智慧之父」，艾倫·圖靈，作為一個傑出的數學家和邏輯學家，他在計算機科學和密碼分析學上有過傑出的貢獻，但鮮為人知的是，他最後幾年的經歷大多投入在數理生物學上，特別是對生物的圖案有過許多重要的研究。

「圖靈斑圖」這個概念出現在他1952年的論文《形態發生的化學基礎》中，他提出那種在脊椎動物體表尤其多見的圖案，是反應-擴散體系的一類實例：一種物質促進色彩生成，另一種物質抑制色彩生成，相遇後一邊反應一邊擴散。在絕對均勻的情況下，這個系統會呈現出對稱的圖景，但一點不平衡就能產生強烈的反饋，最終形成複雜的圖案。

這樣的現象在生物世界大都發展很慢，不易觀察，但在化學上有一些直觀的演示反應。比如B-Z振蕩反應，常見以鈰離子催化，丙二酸在稀硫酸水溶液中被溴酸鹽氧化。在大容積的器皿內，我們會觀察到溶液從黃色忽然變為透明，從透明又忽然變黃，如此周期振蕩上千次才將底物消耗完，這展示了兩組中間產物的對抗關係。

而如果將反應安排在非常淺的平底容器內，使對抗和擴散不能全面展開，只能發生在接觸的邊緣時，就會發現反應溶液自發形成了擴散的波紋。加入一點兒指示劑使現象更加明顯，我們會看到紅藍兩色構成了與圖靈斑圖非常酷似的圖案——這就演示了反應擴散時的情形。

而在生物體內，細胞間的運動常常服從同樣的規律：色素細胞在發育時一邊分裂一邊擴散，而周圍的某些細胞會驅離它們，形成一種微觀上的對抗關係——結果同樣形成了這種斑點圖案。

根據色素細胞不同的對抗規則，圖靈斑圖在不同的動物身上會有不同的形態，斑馬紋和豹紋展示這種圖案的兩種極端形式，它們在躲避蚊蟲和模糊輪廓中產生了積極的作用；而在熱帶的兩棲動物身上，這種炫目的圖案也用來警示自己的毒性。

當然，反應-擴散系統作為一個數學模型，它的存在領域還會廣闊得多，如果你家有帶攝像頭的大屏幕電視或者投影儀，不妨試試用它拍攝自己，然後拿一個光源干擾它，由於信號延遲，新畫面和舊畫面的像素也會構成一種追逐，產生迷離的效果。

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