人类大脑天生擅长识别各类图案，好比湖面的波纹、斑马的条纹、乌龟的壳、层层黛瓦，甚至晶体布局。

眼睛汇报我们，图案是一些图样不绝反复，周期性分列。不外你有没有想过，自然是如何缔造出这些巨大图案的呢？

谜底或者比想象中简朴得多，，靠一遍又一遍反复同样的简朴法则。1952年，天才的计较机科学家艾伦·图灵提出一种理论认为，仅仅通过简朴的物理和化学定律，就能形成自然界富厚多样的图案，从动物的花纹，到植物叶和花的分列，再到戈壁的波纹……

从这个角度而言，所谓的大道至简，其实不外是自然很分明偷懒。

图灵斑图

最初吸引图灵思考图案形成道理的是这样一个问题：在胚胎发育早期，由沟通细胞构成的球形胚胎如何发育成了具有差异特征的有机体，使得一些细胞长成四肢，另一些长成眼睛，等等。也就是说，生物体如何从匀称对称自发分化出差异布局，经验所谓的对称性破缺。

图灵提出，是一种叫做形态产生素的化学物质在细胞和组织中扩散，像墨水在水中扩散一样，将胚胎塑造成了差异布局。不外对付形态产生素到底是什么，图灵却暗昧其辞，它们大概是激素，也大概是基因。要害之处在于，它们扩散并彼此回响。

有趣的是，图灵的理论对付胚胎发育并非必须，反而对生物学中的模式形成发生了遍及影响。它证明白生物的成长并不需要注入神秘的生命力，而是同样遵循普通的物理化学纪律。

1972年，德国马克斯·普朗克病毒研究所的发育生物学家在不知道图灵事情的环境下，独立提出了一种生物模式形成理论。他们发明，静态的化学模式可以仅仅由两种彼此浸染的身分发生：一种是激活剂，它是自催化的，可以促进图案发展，另一种是抑制剂，可以抑制激活剂的浸染。

抑制剂由于扩散速率更快，会将激活剂的扩散限制在局部区域，并阻止相邻斑块间隔太近。这就像一片丛林由于干旱有很多起火点，假如迅速毁灭火苗，就只会让一些区域沦为焦土，火势不会伸张到整片丛林。

事实上，这里的激活剂和抑制剂正是图灵所说的形态产生素。这种激活-抑制的方案可以发生黑点、条纹等图案，这被称为图灵斑图。理论上，图灵斑图可以是完美有序的点阵或条纹阵列，但在实际中，随机缺陷会冲破这种完美，发生犬牙交织却并非秩序井然的图案。

自然如何缔造图灵斑图？

猎豹的黑点、斑马的条纹、贝壳的纹路，尚有瓢虫甲壳上鲜艳的黑点，都可以用图灵斑图很好地表明。要识别出图灵斑图并不难，但要找出是哪些回响发挥了激活剂和抑制剂的浸染，则很是具有挑战性。

斑马鱼的身体侧面包围着五条横纹，从新部延伸到尾巴，和斑马颇为相似。对斑马鱼条纹的尝试表白，它们确实是凭据图灵机制形成，但不是操作排泄到身体中的化学物质，而是用两种差异范例的细胞，嵌入细胞膜中的分子很大概发挥了激活和抑制的浸染。

鲨鱼的皮肤外貌包围着一层叫做皮齿的微小鳞片，像盔甲一样掩护它们的身体。这些皮齿的排布也会形成图灵斑图，正如鸟类羽毛、哺乳动物毛囊的排布一样，并且，促使它们形成图灵斑图的很大概是雷同的基因。这些基因穿越数百万年的演化汗青，在亲缘干系遥远的鸟类和鲨鱼身上都保存了下来。

鲨鱼头部皮齿的排布形成图灵斑图。｜Rory Cooper/QuantaMagazine

图灵斑图不只呈此刻生物体中，在自然界可以说无处不在。自然好像很是懒惰，一旦发明图灵斑图这样简朴而高效的要领，就会乐此不疲地一再利用，制造出各类瑰丽图案。

譬喻，戈壁的波纹和图灵斑图很是雷同。沙堆由风吹的沙粒沉积而成，跟着一道沙堆变大，会从氛围中接收更多沙子，从而进一步促进自身发展。不外在长大进程中，沙堆从风中留下了沙子，也抑制了其他沙堆在旁边形成。这个进程雷同于一种激活-抑制系统，确保一道道沙堆之间的间隔大抵匀称。