從步態研究到數學生物學——11月13日科學史上的今天

2018-11-13作者:科學π工作室 編著編輯:書問閱讀



19世紀70年代,為了識別駿馬“四蹄騰飛”,埃德華·邁布里奇沿著賽馬道旁,布置了一系列照相機,在馬奔跑時依次按動快門,拍下了馬的步態。他還發明了一種旋轉畫筒式的機械裝置,把動物的步態顯示成電影,成為動物步態藝術的開創者,由此也形成了一門新學科——動物步態研究,并從對動物步態的研究開創了數學生物學。


仔細觀察就會發現,不僅單只動物的行走具有節奏和步態,就是多只動物在一起,群體的行為也往往具有“節奏”和“步態”。


20世紀30年代,螢火蟲的“群體步態”特征引起了生物學家的注意。


為什么螢火蟲會同步閃光呢?美國生物學家查爾斯·佩斯金撰文發表了他的看法,認為這是一種類似振蕩器的脈沖耦合振蕩機制,無論最初螢火蟲的閃光有多么無秩序,在所用能量最小的條件下,最后總能逐步從混亂狀態近入“同步”。他認為,這是由進化衍生出來的一種本能。


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近年來,為了確認佩斯金的判斷,美國波士頓學院的數學助理教授雷納多·米洛羅和美國康奈爾大學應用數學家史蒂文·施特蓋茨又利用計算機模擬給予了證明。1990年11月13日,他們將這一結果發表了出來。計算結果證明,無論初始條件是什么,經過了短暫的混亂運行以后,最后所有“振蕩器”都以完全相同的方式同步振蕩起來,最終從數學上成功模擬螢火蟲閃光的“群體步態”。


在各式各樣的步態中,數學起著決定性的作用。利用對于動物步態規律的挖掘,逐漸產生了數學生物學、數學行為發生學等領域。



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