1952 年，英国数学家艾伦·图灵，以其在密码破解和人工智能方面的工作而闻名，因从事同性恋行为而被定罪并判处化学阉割。在那个人生戏剧中，他仍然抽出时间发表了一篇富有远见的论文，论述了自然界中规则重复模式的数学原理，这可以应用于老虎和斑马鱼的条纹、豹子的斑点以及鳄鱼牙齿的行间距等等。
现在，60 多年过去了，生物学家们正在发现图灵在他的论文中提出的模式形成机制的证据，这促使人们对这些机制的兴趣复苏，并有可能阐明诸如基因如何最终形成手等发育问题。伦敦国王学院的发育生物学家杰里米·格林说：“结构就在那里，我们只需要把化学反应应用于数学，才能得到生物学。”
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为了完成他 1952 年论文的研究，图灵想要了解产生自然模式的潜在机制。他提出，斑点等模式的形成是由于两种化学物质之间相互作用的结果，这两种化学物质在系统中扩散，很像盒子里的气体原子，但有一个关键的区别。这些化学物质（图灵称之为“形态素”）不是像气体一样均匀扩散，而是以不同的速率扩散。一种化学物质作为激活剂来表达独特的特征，比如老虎的条纹，另一种则作为抑制剂，周期性地启动以关闭激活剂的表达。
为了解释图灵的想法，牛津大学数学生物学荣誉教授、普林斯顿大学应用数学家詹姆斯·穆雷 想象了一片点缀着蚱蜢的干燥草地。如果草地在几个随机点着火，并且没有水分来抑制火焰，穆雷说，火会烧焦整个草地。然而，如果这种情况像图灵机制那样发生，那么逼近的火焰的热量会导致一些逃跑的蚱蜢出汗，从而使它们周围的草变湿，从而在原本被烧焦的草地上形成周期性的未烧焦的斑点。
这个概念很有趣，但只是推测性的。图灵在他论文发表两年后去世，他的论文在几十年里相对默默无闻。穆雷说：“他实际上并没有将它应用于任何真正的生物学问题，这主要是为寻找分析问题的数学家们提供了一个福音。”
尽管在 20 世纪 70 年代，理论工作和计算机建模出现了爆炸式增长，使用图灵机制成功地再现了斑点和条纹等模式，但分子生物学距离研究人员能够确定充当激活剂和抑制剂的特定分子还很遥远。
最新的研究表明，图灵式机制可能负责小鼠毛囊之间的间距、鸟类皮肤上的羽毛芽、小鼠腭部形成的脊以及小鼠爪上的指头。
一些生物学家仍然怀疑图灵机制是否足以解释这些周期性模式，特别是还有其他可行的模型，包括伦敦大学学院的荣誉发育生物学家刘易斯·沃尔珀特提出的一个模型。在沃尔珀特的模型中，细胞根据每种形态素的含量来解释它们在空间中的位置，从而形成条纹、斑点或指头。此外，沃尔珀特说：“还没有人确定在发育过程中用于图灵机制的分子。”
缺乏实验鉴定一直是图灵拥护者最严重的绊脚石，但这已经开始改变。去年，格林和他的同事确定了两种充当激活剂和抑制剂的化学物质，从而形成了在小鼠胚胎的口腔顶部的规则间隔的脊。一种名为成纤维细胞生长因子 (FGF) 的蛋白质充当激活剂，一种名为音猬因子 (Shh) 的基因变体充当抑制剂。当研究人员增加或减少这些化学物质的活性时，脊的模式就像图灵的方程式预测的那样受到影响。
生物学是混乱而复杂的，有许多混淆因素，这使得很难通过实验证明模式是由图灵机制产生的。因此，格林和他的团队移除了其中一个脊，从而增加了脊之间的空间。如果没有图灵机制，就会形成一个替代脊。相反，研究人员看到额外的脊以分支模式弹出以填充空间，这是图灵模型的标志。
图灵机制适用于任何数量的系统，它几乎过于通用。研究人员已经在生态系统中物种的分布中识别出了图灵式的特征，例如捕食者-猎物模型，其中猎物充当激活剂，试图繁殖和增加数量，而捕食者充当抑制剂，控制种群数量。神经元也可以在数学上被描述为激活剂或抑制剂，鼓励或抑制大脑中其他附近神经元的放电。
格林指出，沙丘上形成涟漪就是一个例子，他说：“如果你有两个充当激活剂和抑制剂的过程，你总是可以从中得到周期性模式。显然，那里没有扩散的形态素在起作用。只是这些过程具有一种你可以使用扩散函数来表示的特性。”
图灵在他的原始论文中承认了这一点：“这个模型将是一种简化和理想化，因此也是一种伪造。” 这并不一定意味着这个模型是错误的，但是很难从识别似乎遵循图灵机制的系统的行为，转变为识别充当激活剂和抑制剂的特定物理过程。例如，对斑马鱼条纹的实验表明，它们是由图灵机制产生的，但是鱼并没有分泌在系统中扩散的化学物质，而是有两种细胞充当了激活剂和抑制剂的作用。最有可能充当激活剂/抑制剂角色的分子只能嵌入细胞膜中，而不能分泌。因此，为了使该机制起作用，细胞必须相互接触。
当然，图灵模型有缺点。仅靠图灵机制不能解释自然模式中的缩放。鸡卵是缩放的一个很好的例子，它们可以是大的、小的或介于两者之间的任何大小，但是无论受精卵的大小如何，如果它孵化，产品都将是一只完整的雏鸡，而不是缺少关键部分的雏鸡。“图灵未能回答的问题是：你如何获得这种缩放过程？”格林说。
答案可能在于关于小鼠胚胎爪中指头形成问题的一篇新论文。西班牙坎塔布里亚大学和西班牙研究委员会的合著者玛丽亚·A·罗斯表示，该研究旨在探索多指症——例如，一只手上有六根手指等额外指头的形成。
指头模式与条纹模式相似。但是，尽管手指呈条纹状展开，但指尖之间的距离（如果你愿意的话，波长）和指关节之间的距离是不同的。该模式按比例缩放。如果这些条纹是由图灵机制产生的，那么肯定还有其他因素会影响缩放。
有几个基因与多指症有关，最值得注意的是一个叫做 Gli3 的基因，该基因受 Shh 调控。早期的研究得出结论，小鼠胚胎中 Gli3 和 Shh 的缺失会导致一类称为 Hox 基因的增加，这些基因对于身体结构的正确发育至关重要，包括手指和脚趾的数量。
小鼠在四个不同的簇中拥有 39 个 Hox 基因。罗斯决定通过逐步敲除 Hox 变体来检验更多 Hox 基因导致更多指头的假设。她预计随着更多 Hox 基因的去除，指头的数量会减少。相反，发生了相反的情况：移除的 Hox 基因越多，出现的额外指头就越多——在一个案例中多达 15 个。
额外的指头更细、更靠近；它们分裂成一个分支模式——格林在他的小鼠腭部脊的实验中观察到的相同模式。当罗斯的合著者之一，巴塞罗那基因组调控中心的系统生物学家詹姆斯·夏普将有关指头厚度和间距的实验数据输入他的计算机模型时，他能够通过图灵机制再现这种效果。
事实证明，指头模式形成过程中存在两个过程：产生条纹状模式的图灵机制和通过 Hox 基因控制缩放的第二个调整机制。夏普更倾向于将它们视为同一机制的不同方面。
最好将图灵的模型视为在更大的生物系统背景下，与其他因素协同作用，发挥特定的发展作用，而不是将其视为一种独立的机制。格林说：“图灵过程是理解多种形态素如何协同工作的一个谜题。”
我们已经知道，基因在表达性状时，既会与其他基因相互作用，也会与无数的环境因素相互作用。穆雷表示：“要真正理解生物发育，我们需要知道基因如何影响产生观察到的模式的物理要素，当然，还需要知道实际的生物要素是什么，以及它们之间如何相互作用。” 另一方面，理论建模也有其用武之地。“如果我们理解发育所能使用的只有遗传学，我们仍然不知道如何建造一只鸡。”
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