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图灵晚年在生物方面的“跨界”研究成了净化水的关键

JoAnna Klein2018-05-09 15:55:54

基于计算机之父图灵的猜想,浙大研究出了一种高效净水膜

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

许多人都听说过数学家、逻辑学家阿兰·图灵(Alan Turing)的名字,知道他在 1935 年发明了现代计算机;人们也知道他破译了纳粹恩尼格玛(Enigma)密码机,帮助盟军赢得了二战胜利;世人还把图灵奉为捍卫同性恋权益的殉道士,1954 年,他遭到起诉并被判接受化学阉割后,吃下了掺有氰化物的苹果自杀身亡。

但很少有人知道,图灵也是一名用数学原理解释自然规律的博物学家。1952 年,图灵发表了他的最后一篇论文,时隔近半个世纪后,化学家和生物数学家们才充分认识到他在学术生涯晚期做的贡献。科学家们发现,图灵的猜想可以用来解释他们正在研究的课题,比如斑马鱼的条纹猎豹的斑点是怎么来的。直到如今,科学家们仍能在图灵留下的宝贵遗产中发现新的奥秘。

就在上周四,来自中国的化学工程师在《科学》杂志(Science)上发表了一篇论文。他们利用图灵提出的斑图生成规律,研制出了一种更高效的海水淡化法。如今,不少干旱地区正越来越依赖海水淡化技术为居民提供饮用水和灌溉用水。

图灵在 1952 年发表的论文并没有明确提出用膜来净化海水,而是用化学原理解释了细胞慢慢分化、最终形成生物形态的过程。

我们尚不清楚,为什么早年是一名计算机科学家的图灵会对生物学感兴趣,但他有一次对朋友说,他想推翻“创世论”(Argument From Design),证明创造复杂的自然规律并不需要“上帝”等超自然存在。

图灵从小就热爱观察自然,他注意到许多植物形态都可能涉及数学原理,比如一些植物的生长都符合斐波那契数列(这是一种递归数列,每项都等于前两项之和)。例如雏菊的花瓣就可能有 34、55 或 89 瓣。

乔纳森·斯温顿(Jonathan Swinton)是一名计算生物学家,目前在牛津大学担任客座教授,他的研究涵盖了图灵学术生涯晚期的成果和生活。“当然了,他绝对不是个激进的无神论者,”斯温顿表示,“他只是觉得,数学非常强大,我们可以用它解释很多现象,所以应该去试一试。”

而图灵的确试过了。

“他提出了一套数学表达,可以(让生物体)无中生有,自发产生形态,”斯温顿博士说道。

在图灵创建的模型中,他让两种被称为“成形素”(morphogen)的化学物质在容器里发生反应。温斯顿博士解释说:“假设有两种成形素,一种会让动物皮肤变黑,另一种则会让它们变白。要是把这两种物质混合在一起,就会形成灰色皮肤。”

可要是有种结构能让两种物质的扩散速度一快一慢,那它们就可以聚集在均匀分布的区域内,形成黑白斑点或条纹。

该发现被称为“图灵不稳定性”理论。而发表了最新成果的中国研究团队证实,这可以为净水膜的过滤机制提供依据。

通过在膜中创建气泡、管子等三维图灵结构,研究人员增强了膜的渗透性,可以让它快速从水中提取盐分,比传统膜更为高效。

浙江大学博士生谭喆是论文的第一作者,他表示:“我们可以用一层膜来完成两到三层膜的工作。”这也意味着,如果这一技术得到应用,大规模海水淡化工程将更加节能,成本也更低。

除了他发表的最后一篇论文,图灵的笔记里还有不少他努力想解答的难题。

英国巴斯大学数学家乔纳森·道斯(Jonathan Dawes)也一直在努力破解图灵生前研究的课题。他指出:“1952 年那篇著名的论文并不是全部。它没有充分体现他的思想深度。”

图灵似乎在寻找一种产生形态的机制,比如思想或意识是如何自发形成的、向日葵种子又怎么会整齐排列在一起。但图灵的研究尚未完成,也没有得到发表,他就离开了人世。

“我希望,我们能因为他而重视科研工作中的多样性和创造力,”道斯博士表示,“我们需要那些被好奇心驱使的人们,也需要那些把基本科学原理转化为实用技术的人。”


翻译:熊猫译社 智竑

题图来自 Geograph

© 2018 THE NEW YORK TIMES

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