动物的斑纹之谜

1、动物的斑纹之谜许多动物身上，都有着形状各异的斑纹和色块，它们 构成了一个色彩斑斓的生物世界，也呈现出一幅幅非常美丽 的自然画面。我们在动物园里，就能看到这些画面的集中展 示。这些斑、纹、块、色，有时令人叫绝、叹为观止。有许 多动物的斑纹几乎就是它们不二的特征，如老虎有着特殊的 虎纹，豹有着各种豹斑，大熊猫则是黑白圆形状色块，而斑 马纹更为夸张，此纹只有斑马有。那么，动物为什么会有斑 纹呢？它们是怎么形成的？又是否有或者遵循什么规律 呢？出于对人们喜爱豹纹等诸多动物斑纹图案甚至借用于 服饰装饰这种审美心理的兴趣，我原本要写一篇关于动物斑 纹之美的文章。但是当我进入这个领域，感觉进入了一个神 奇又

2、趣味盎然的世界，所以暂且放弃原来的打算，把有关动 物斑纹现象的研究探索归纳整理，介绍给读者。我们一起来 分享有关动物斑纹的奥秘。动物学家的解释迄今为止，关于动物斑纹，动物学家从生物学角度有以 下几种解释。、伪装、欺骗的需要。伪装又有两种情形，或者对一 种动物来说两种情形兼而有之。一种是保护自己不被天敌发 现。如大鸨可以趴在草丛和田野上，其身上的斑纹以及色彩 与枯萎的草禾接近，可以躲过天敌。另一种是如老虎，它们 在林中，其虎纹的纹路和色彩与森林中植物及光影明暗接近， 可以伪装自己，让猎物放松警惕，以便对猎物发起突然袭击 但是还应该有第三种伪装情形。比如一些昆虫，它们的伪装 既为了躲过天敌又可以欺

3、骗它的猎物。二、警戒。用醒目的颜色让自己的天敌不愿接近自己。与之相接近的应该还有警告甚至恫吓。我想那些面目狰狞的、 夸张的、令人恐惧的斑纹色彩，能令对方产生恐惧心理，用 以吓退对方。动物斑纹的解释主要集中在这两点，尤其是第一点。就 是要么不显山露水、暴露自己；要么极度强调自己，让对方 产生恐惧或者不适应，不敢或无法接近。这些解释符合一般的适应环境获得生存的道理。但是同 样是为了生存需要，有一类就很不同，它们不是伪装欺骗和 阻击，而恰恰是吸引。这应该是第三种情形，主要发生在鸟 类。许多鸟类尤其是雄鸟，其羽毛一般都有美丽斑纹和色块 线条，目的主要是吸引雌鸟以达成求偶的目的。但是按照伪 装保护的通常

4、形式，它们就是时时主动地“暴露目标”了。我们用这种适应环境获得生存的基本理论，似乎还可以 解释有斑纹与无斑纹动物的现象。如一般来说，森林动物有 斑纹的居多，而草原平地动物无斑纹的居多。其原因就是森 林环境不利于动物奔跑，所以即使能跑的动物也会受到森林 树木等的羁绊，奔跑能力被打折扣，捕食变得困难。老虎实 际就不是靠追赶而是靠突袭来捕杀猎物。而在草原这样的环 境，很多动物捕食与被捕之间，主要就是靠奔跑能力了。不过总有很多现象是这些理论无法解释的。例如，在非 洲草原，同样是狮子的猎物，为什么斑马有斑纹可以伪装， 而角马却没有斑纹呢？更多的情形是，一些草原动物也有斑 纹，而一些森林动物也没有斑纹。“

5、图灵猜想” 对动物斑纹现象的探究，不仅吸引了动物学家，也吸引 了数学家和化学家的参与。从上个世纪 50 年代开始，在探 寻动物斑纹产生的原因和规律方面，专家不断提出有价值也 非常有趣的研究成果。在研究这个领域的众多科学家里，我 们要重点提到 3 位人物。他们是：阿兰 ?图灵、杰里米 ?格林 和詹姆斯 ?默瑞。阿兰 ?图灵被誉为“计算机之父” ，他最早提出了“图灵 原理”。其内容是：存在一台抽象的通用计算机，其全部本 领包括任何物理上可能的对象所能完成的任何计算。出于对 动物斑纹之谜的兴趣，根据这个“图灵原理” ，阿兰 ?图灵提 出一个大胆的猜想，寻找动物斑纹的形成原因和规律。这就 是开辟了动物

6、斑纹研究新思路和途径的“图灵猜想” 。阿兰?图灵是在 1952 年首次提出的这一理论。他还为这一理论建立了一个简单数学模型。他认为，动物身上会产生有规律的花纹是一对化学物质“成形素”的相互作用，其中一种激发细胞活性，而另一种抑制活性。这一理论能够帮助 科学家预测猫科动物的条纹和斑点会长成什么样子，如果蝇 身上有多少根毛，或一片树叶上有多少涡纹。图灵发现，动物的斑纹当中，存在着令人意想不到的一 致性：所有斑纹都可以用同一类型的方程式来产生，被称作 是反应扩散方程。这类方程式描述了当不同的化学物品放在 一起产生的反应、扩散到表面的情况。图灵这一理论可以用计算机模拟出来，其证据也是间接 证据，当时并

7、没有在实验中得到证实。我们要知道的第二个 人物伦敦大学国王牙科学院颅面发育系杰里米?格林，领导一个团队开展了实验实证工作。研究人员用小鼠胚胎进行实验，研究了胚胎口腔上腭脊 纹的生长过程，并识别出与该过程相关的一对特殊成形素。 他们发现这两种化学物质控制着彼此的表达，产生激活和抑 制，共同影响着每一道脊纹的位置。实验还显示，当这些成 形素的活性增强或减弱时，会按照图灵方程预测的那样，对 口腔上腭脊纹产生影响。“有规律的间隔结构是生物界的基本图案。从脊椎骨、 毛囊到老虎、斑马身上的条纹，有许多理论解释这些自然花 纹的产生，但缺乏相关证据。此前，图灵理论也只有间接证 据。格林说，“这个实验证明了图灵

8、提出的激活一抑制模型， 这是最有价值的” 。实验不仅证明了激活抑制系统在花 纹形成中的作用，还提高了图灵假设的化学物质“成形素” 的可信性。我们概括起来就是：实验证明了阿兰 ?图灵提出的生物 花纹形成理论，证明了与脊椎动物发育密切相关的成形机制， 首次识别出与这一过程有关的“成形素” 。第三个人物是詹姆斯 ?默瑞。他是在英国牛津大学和美 国华盛顿州立大学工作过的生物数学家。为什么有些动物身上有斑点、有些有条纹，而有些就是 单色呢？默瑞认为， 所有哺乳动物身上的斑图形态 （pattern ） 是同一反应扩散机理造成的：在动物胚胎期，一种他称之为 形态剂（ morphogen ）的化学物质随着反应

9、扩散的动力系统 在胚胎表面形成一定的空间形态分布，然后在随后的细胞分 化中形态剂促成了黑色素 （ Melanin ）的生成， 而形态剂的不 均匀分布也就造成了黑色素的空间形态。在这里反应扩散方程组是定义在一个稍扁的圆柱体表面（动物表皮） 加上一个长长的圆柱体表面（尾巴）上面。这样写成的非线 性反应扩散方程组一般是找不出解的表达式的，但是按图灵 的想法我们可以判断常数解的稳定性，并得到在常数解附近 线性化方程解的公式。这个公式是一个傅里叶级数，但是通 常只有前面若干项起决定作用，而方程非常数解也大约可从 这几项的相应空间特征函数决定。拉普拉斯算子在圆柱体表面上的特征函数正是两个方 向的余弦函数的

10、乘积， 即 cos（ nx/a ）cos（ 2my/b ）。这里“ a” 和“ b”分别是动物“身体长度”和“腰围”，“m”和“ n”是自然数或者零，“x”和“ y”是两个方向变量。如果 m=0 或n=0，这样的特征函数的图像正好是条纹，或者斑点。究竟哪个特征函数图像出现在动物身上取决于很多自然因素，而最重要的就是a和b的比例。a/b不太大或小时， 两个方向都容易在特征函数中出现，所以斑图倾向于斑点型； a/b 很大或很小时， 特征函数就容易是一个方向的余弦函数， 斑图就是条纹。按照这样的分析，可以得到生物学非常有趣的两条“定理”。一是蛇的表皮一般总是条纹状，很少斑点状。蛇正是 动物身体长度和

11、宽度比例很大的最好例子。另外，根据同样 道理，蛇的条纹也大多是横条，很少竖条。蛇的表皮图案一 般是环形，而且横条居多，竖条较罕见。二是世界上只有条 纹尾巴、斑点身体的动物，而没有斑点尾巴、条纹身体的动 物。最后， 要提到化学家的工作。 20世纪 80年代末到 90 年 代初，法国波尔多大学和美国德克萨斯大学的两组科学家设 计出了一种空间开放型化学反应器，使得系统内只有反应和 扩散过程在进行，而他们的结果提供了第一个图灵斑图的实 验例子： CIMA( Chlorite-Iodide-Malonic Acid )反应。实验室 里的化学反应产生的斑图和大自然产生的天然图案极其相 似。从以上介绍我们可以看到，从生物学实验、数学计算到 化学实验，都在证实“图灵猜想”的价值，也逐步接近对动 物斑纹现象的终极解密，更让我们惊叹图灵这个关于动物斑 纹天才预言的神奇。但是也许这一切也都还是猜想、假说， 生物的复杂性使得人类还远未达到可以用实验手段验证的 地步。例如图灵提出的“成形素”和默瑞称作“形态剂”的 化学物质，至今实验生物学家无法找到，以至于默瑞本人也 在他的著作