跨界也能發光發熱!電腦之父圖靈在生物學上的研究被利用在濾水器上

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photo credit: The Pink Humanist

原文刊登於合作媒體 愛范兒 ,INSIDE 授權轉載。

身為計算機專家,圖靈(Alan Turing)對密碼破譯和人工智慧領域的貢獻毋庸置疑。但誰也沒想到,他在職業生涯晚期對生物學方面的「跨界」研究,會對如今的淨水技術產生革命性的影響。

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最近,來自浙江大學的張林教授團隊在《科學》雜誌上發表了 一項最新研究成果 。他們發現,通過運用「圖靈結構」來製造的一種納濾浄水膜,可以快速地將海水中的鹽分和水分離出來,速率是以往的數倍。

這個「圖靈結構」,來源於圖靈在自己職業生涯後期對生物學和數學領域的研究成果。

那個時候,剛剛完成「圖靈測試」的他,開始對生物學領域產生巨大的興趣。他發現,自然界中存在的多種多樣的圖案及形態——動物的紋理、植物的形狀等等,都有其誕生和形成的奧秘,而這也許可以通過數學模型來進行「解密」。

著名的斐波那契數列(簡單來說,就是從 0 和 1 開始,之後的數都等於前兩者之和)就在生物學界有著廣泛的應用。植物的花瓣數、葉片枝幹的排列、昆蟲的繁殖規律等等,似乎都以某種黃金比例存在著,展現出規律的數學之美。

斐波那契數列的「黃金螺旋」,photo credit: Imgur

受到斐波那契數列的啟發,圖靈也開始通過建立數學模型來對生物的形態變化進行進一步的研究。

在他的理論框架中,引發形態變化的有兩種不同的反應物(細胞):其中一種被稱為「啟動因數」(Activator),它可以促進反應的發生;另一種被稱為「抑制因數」,跟字面意思一樣會對反應產生抑製作用。

當這兩種反應物相遇之後,會出現兩種現象:

  • 反應後均勻擴散,則整個系統平衡,不會產生圖案;
  • 反應後擴散不均衡,系統開始形成具有週期性特徵的複雜圖案。

這個理論被圖靈稱為「反應-擴散方程」,被記錄在他於 1952 年發表的名為 《形態發生的化學基礎》的論文 中。而這種在「反應-擴散」機制下形成的具有規律性的生物圖形,也被稱為「圖靈結構」。

photo credit: Science

乍一看,這個理論與海水淡化技術是沒有什麼直接關聯的,不過來自浙江大學的這個團隊在一次偶然中突發奇想,決定測試一下這種模型在製備淨水納濾膜時的應用效果。他們先試驗了呱嗪(Piperazine)和三甲醯氯(Trimesoyl)這兩種反應物,但兩者的反應擴散效果差異不大,無法形成「圖靈結構」。

後來,他們又在呱嗪中加入了聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol)。這一次,呱嗪的反應擴散速度放緩,與三甲醯氯拉開了差距,成功啟動「反應-擴散方程」,在基底上形成了一種具有三維「圖靈結構」的濾水膜。

photo credit: Science

在這個濾水膜的表面,「圖靈結構」的圖案能隨著反應物的不同配比而產生變化;最關鍵的是,因為增加了更多可透水的圖形,這種帶有「圖靈結構」的濾水膜在濾水效率上面更高。實驗的結果顯示,一平方米的新濾水膜可以在一小時內處理 125 升以上的水,這意味著,它的效率要比傳統濾水膜快 3 倍。

這是自「圖靈結構」被發現後,第一次被應用於實際生活中。研究團隊還指出,如果可以得到有效利用,未來在海水淡化、工業用水回收等方面,都有可能出現很大的效率突破。

所以誰說「跨界」就一定是不務正業呢,要不是有了差點搶了生物學家飯碗的圖靈,科學家今天也不會這麼容易就突發靈感了。

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