我N 1952年，在发育生物学家在霍昔克斯和转录因素方面发言，甚至理解DNA的结构，艾伦都有一个想法。通过破解Enigma守则来赶上第二次世界大战结束的着名的数学家将他的思想转向自然界，并设计了一个优雅的模式形成数学模型。他的理论概述了两条简单，假设的化学试剂或“个体酚类”的相互作用时如何出现无尽的条纹，斑点和鳞片。
几十年过去了，生物学家才认真考虑这个数学理论解释无数的生物模式．哺乳动物的毛发、鸟类的羽毛，甚至你口腔上的脊状突起，都源自图灵机制。
自然往往会发明一些东西，然后对该主题进行变化。
现在，覆盖在鲨鱼皮肤上的牙状突出物——齿状突——也可以加入这个列表。佛罗里达大学的研究人员最近发现鲨鱼的齿是由一种类似图灵的机械装置完成由负责羽毛图案形成的相同基因指导。根据加雷斯·弗雷泽,领导这项研究的研究员,研究表明,有脊椎动物物种多样性的发展胚胎外层的制定模式的特性也组织模式机制”,可能与第一脊椎动物进化和变化很少。”
“这项工作的美丽是，它表明，这种机制可能存在从鲨鱼牙本丛到鸟羽的任何机制储存，”哈佛大学发展生物学家亚历山大·斯西尔表示，这是不参与研究的。这项研究在发育生物学中悬而未决的主题，“性质倾向于发明一些东西，然后对该主题进行了变化，”Schier说。
图灵的模型被称为反应扩散机制，非常简单。它只需要两种相互作用的剂，一种是活化剂，一种是抑制剂，可以像墨水滴在水中一样在组织中扩散。激活物启动某些过程，比如斑点的形成，并促进自身的生成。抑制剂停止了这两种作用。关键的是，抑制剂在组织中的扩散速度要比激活剂快。这种更快的抑制剂扩散可以防止活化的小袋溢出。根据激活剂和抑制剂释放的确切时间和位置，激活的口袋将自己排列成有规则间隔的点、条纹或其他模式。
Catherine Boisvert是澳大利亚Curtin University的发展生物学家，解释说，这种激活抑制系统是一种强大的发育模式。如果你试图像羽毛或牙本序一样建立完全形成的结构，你就是“不能过度拥挤”，“她说。“在没有间隔的情况下，你永远不会得到一个截然不同的实体。”
Schier说，图灵的模型令发展生物学家兴奋，因为“尽管它很简单，但它可以解释很多不同的模式。”然而在实践中，自然界中很少有模式被确定为图灵式的机制。
两个这样的例子是在模式中设定的位置小鼠的毛囊和羽毛的小鸡．在一个开发的小鸡中，原羽序列顺序弹出，形成小鸡的单一直线。初始行刺激平行行的生产，该行的级联落下胚胎的侧面直至其覆盖。批判性地，研究人员知道进行活化剂和抑制剂角色的分子，确认该过程是图定的。
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弗雷泽实验室的研究生罗里·库珀（Rory Cooper）认为鲨鱼的牙齿似乎也有类似的发育。然而，4.5亿年前，鲨鱼以及它们的近亲冰鞋和鳐鱼从其他脊椎动物中分离出来。
“它们位于生命之树上一个非常有趣的位置，”库珀说。他解释说，鲨鱼为早期脊椎动物的发展提供了一个视角。在哺乳动物长出毛发、鸟类长出羽毛之前的数亿年里，鲨鱼的皮肤上覆盖着齿状“鳞片”，就像铠甲一样。(它们是现存最古老的有皮肤附属物的脊椎动物。)齿状突起的模式、形式和功能是多样的:浓密的齿状突起为一些鲨鱼提供了额外的保护，而更稀疏和光滑的齿状突起则减少了敏捷鲨鱼的阻力。在一些鲨鱼物种中，牙齿上甚至有生物发光细菌援助传播．然而，尽管有一些小差异，但牙本柱，头发和羽毛之间的发育模式相似是不可否认的。
为了证明鲨鱼的牙齿图案原则上可能来自图灵机制，弗雷泽的同事建立了激活剂和抑制剂相互作用的数学模型。他们修补了这两种形态素的扩散、产生和降解速率，直到模型产生的模式与鲨鱼皮肤的发育模式相匹配。库珀说：“该模型告诉我们，理论上，图灵机制可以解释鲨鱼的模式形成。”。
与羽毛一样，牙齿发育的分子基础尚不清楚。然而，考虑到发育过程中的相似性，鸡基因是一个很好的起点。当库珀使用原位杂交技术是一种可以在发育组织中阐明基因表达的技术。他发现，在小鸡和鲨鱼的模式形成过程中，相同的基因都被点亮了。“这些基因不仅在[齿状突起]出现时表达，它们实际上是在相同的组织层中表达的，这是相当强的保守性，”库珀说。
在相似的过程中证明相似的基因表达是很好的第一步，但在发育生物学中证明的黄金标准是一项推翻实验:如果你减少或消除一个基因的表达，那么这个模式就消失了，这个基因一定在模式产生中扮演着重要的角色。为了做到这一点，库珀在小珠子里装了一种化学物质，可以抑制小鸡羽毛激活剂。然后，他将珠子植入鲨鱼胚胎的原始齿状突起旁边，观察鲨鱼的成长。
结果很明显。这种珠子的设计目的是抑制鸟类激活基因的表达，它可以跨越数亿年的进化过程，并在鲨鱼身上产生相同的效果。库珀发现，激活因子的基因表达在珠子旁边直线下降，形成了一个没有齿的扁平“死区”。
席尔说:“这些操作的结果确实有力地证明了这种机制是非常保守的。”
理论上，图灵机制不是构建模式的唯一方法，但大自然似乎更喜欢它们。
为了测试图灵样机制是否能创造出其他鲨鱼及其亲属身上所见的广泛的牙本质模式，研究人员在他们的模型中调整了激活剂和抑制剂的产生、降解和扩散速率。他们发现，相对简单的改变可以产生与这个谱系中的多样性相匹配的模式。例如，溜冰鞋的牙齿往往比较稀疏；通过增加扩散速率或降低抑制剂的降解速率，研究人员可以使更多的稀疏模式出现。
一旦设定了初始模式，就是其他非图拉机构完成了这些行的变换成完全形成的牙本丛，羽毛或其他上皮附件。“你有这些深深的保守主义监管机制，即在开发这些附件的发展中，”Boisvert解释“，但下游，物种的特定机制踢进去细化该结构。”尽管如此，Boisvert仍然强调了如何显着的是，在没有生物学训练的情况下，通过没有生物学训练的数学家，在没有生物学训练的情况下，这么多不同的生物学模式的机制是多么显着。“
理论上，图灵机制不是构建模式的唯一方法，但大自然似乎更喜欢它们。根据弗雷泽的说法，如此多的分散的生物群体对这种机制的依赖表明某种约束可能在起作用。他说：“你可能没有太多的方式来塑造一些东西。”。一旦一个系统出现，特别是像图灵机制这样简单而强大的系统，自然就会跟着它运行，不会回头。
弗雷泽说：“在董事会的生物多样性，基于董事会，基于似乎相当受限制的原则，并在进化中重新使用，”弗雷泽说。大自然，在所有繁荣的创造性，可能比我们想象的更保守。
约翰纳森·兰伯特（Johnathan Lambert）是一位进化生物学家，后来成为科学作家，目前担任广达电脑杂志写实习生。在此之前，他是AAAS大众媒体媒体研究员达拉斯早上新闻，同时也是美国公共媒体面向孩子们的科学播客《Brains on !》的助理制片人。他目前是康奈尔大学的博士生。
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主角形象：亚历山大蒂埃里
