一种新的图灵斑图体系的形成及影响因素

李桂林

摘要：探究了一种新的产生图灵斑图的反应体系，并且在实验中观察到了三维图灵斑图的产生。探讨了不同形状器皿中图灵斑图形成的可能性，以及在不同温度、溶液深度、浓度、外加磁场、电场等条件下图灵斑图形成的特点。

关键词：图灵斑图体系；实验观察；三维图灵斑图

文章编号：1005–6629（2014）1–0049–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

“斑图”是在空间或时间上具有某种规律性的非均匀宏观结构，普遍存在于自然界。从热力学角度观察，自然界的斑图可分为两类：第一类是存在于热力学平衡态条件下的斑图，如无机化学中的晶体结构、有机聚合物中自组织形成的斑图；第二类为离开热力学平衡态条件下产生的斑图，如天上的条状云、水面上的波浪、动物的体表的花纹。当置身于大自然时，我们不仅会为大自然的巧夺天工而赞叹。老虎的斑纹、鱼的条纹、向日葵的花苞，这些美丽的图案世代相传，且形状基本保持不变。

1952年，被后人称为计算机科学之父的著名英国数学家图灵（A.M.Turing）把他的目光转向生物学领域。他在著名论文“形态形成的化学基础”中[1]，从数学角度表明，在反应扩散系统中，稳定均态会在某些条件下失稳，并自发产生空间定态图纹。此过程被后人明文为“图灵斑图”。图灵用一个反应扩散模型成功地说明了某些生物体表面所显示的图纹（如斑马身上的斑图）是怎样产生的。

可以设想，在生物胚胎发育的某个阶段，生物体内某些被称为“形态子”的生物大分子与其他反应物发生生物化学反应，同时在体内随机扩散。图灵的研究表明，在适当的条件下，这些原来浓度分布均匀的“形态子”会在空间自发地组织成一些周期性的结构，也就是说，“形态子”在空间分布变得不均匀，而正是这种“形态子”分布的不均匀性引起了生物体表面不同花纹的形成。

资料显示，目前世界上共有五个体系能产生图灵斑图，在一个偶然的机会，我们在中学实验室里找到了一种能产生图灵斑图的新的体系。作者在阅读了国内外的相关文献后，进行了一系列外界条件对图灵斑图形成的研究。

1 课题由来

2011年是国际化学年，在积极筹备2011年中国（上海赛区）趣味实验竞赛过程中，我们在观看了许多国外趣味实验的基础上，选择了糖的一系列趣味实验开展研究。在做蓝瓶子实验时，我们意外发现其有时会形成一种波形图案。我们再把蓝瓶子、红瓶子实验的溶液多次倒在培养皿等器皿中，结果在培养皿中看到了较稳定的波形图案（蓝瓶子实验的配方[2]：水100 g，葡萄糖2 g，NaOH 2 g，2%亚甲蓝3～5滴，置于250 mL锥形瓶中；蓝瓶子实验操作：振荡溶液时其呈蓝色，静置时蓝色慢慢褪去变成无色透明液，再振荡又变蓝色。红瓶子、花瓶子的方法、原理、现象等相近，只是所选氧还指示剂及相关颜色不同）。

2 图灵斑图的确定

2.1 寻找斑图产生的原因

我们在培养皿中看到了较稳定的波形图案，接下来的工作就是寻找神奇斑图产生的原因。只是改变了反应容器的形状，把锥形瓶改为培养皿，结果得到了图灵斑图，两个容器形状不同，表面张力就不一样。所以我们猜测是否是表面张力引起的图案。

2.1.1 是否是表面张力引起的图案

用葡萄糖和氢氧化钠，加亚甲基蓝，配成溶液，把配好的溶液一部分放在各种不同形状的容器（各种塑料瓶、锥形瓶、平底烧瓶、容量瓶、开口比底部大的容器等）来做实验。结果发现只要是敞口的容器，都能够看到不同的斑图。所以，否定了是表面张力引起的原因。

2.1.2 形成的图案是否是胶团

在高二有机部分看到了表面活性剂的亲水基团和亲油基团的图片。曾琢磨着这个图案是否是胶团，我们花了长达2个月的时间来阅读胶团、表面活性剂等相关材料。结果发现，胶团根本是肉眼看不见的，所以我们为这一假设划上了句号。

2.1.3 形成的是图灵斑图

（1）结缘图灵斑图

在百般无奈的情况下，笔者通过百度搜神奇的图案，没有相似的东西，搜图案更是找不到相关的资料。通过大学数据库，以神奇的图案为关键词，搜索结果为0，我们以图案为关键词，也搜索不到东西。于是以图为关键词，搜到了图灵斑图，搜索并下载了所有与图灵斑图案相关的资料，开始学习和整理。

（2）类似的图灵斑图[3]

曾有人发现聚乙烯胶-甲基蓝-硫化钠-氧气（PA-MBO）体系的图灵斑图案，在聚乙烯胶-甲基蓝-硫化钠-氧气（PA-MBO）体系中，Munster等首次观察到了短暂准静止的类似于图灵斑图案的时空斑图。

（3）证明是图灵斑图

蓝瓶子实验和红瓶子实验以及花瓶子实验都属于化学振荡，只有化学振荡反应才能产生图灵斑图。另外，在实验过程中产生的图案和BZ-AOT体系形成的图案基本一致。

3 外界条件对图灵斑图形成的影响研究

已有研究证明除了浓度控制参数与凝胶层厚度可以对图灵斑图产生影响外，温度、可见光、外部电场、噪声与激光也可以对其产生影响。本实验先研究不同浓度条件下，形成的图灵斑图的特点，然后，用合适的浓度来做不同温度、光照条件下，在电场或磁场中，不同深度时图灵斑图形成的特点。

结论：实验发现，温度越高形成图灵斑图案所需要的时间越短，20℃、30℃时形成的图灵斑图案比较漂亮，所以此区间温度是比较适宜的实验温度。

3.2 浓度影响

实验发现氢氧化钠的理想浓度在4%～6%左右，葡萄糖加2克左右比较好，碱性藏红花的滴数控制在8滴左右。因为碱性越大，越不能形成三维斑图，氢氧化钠浓度过大，不能形成图灵斑图，碱性太小，形成图灵斑图所需要时间长。

3.3光照影响

以前的科学研究预测三维图灵斑图的存在，但仍然没有在实验上发现三维的图案[4]，我们在实验室里真实地看到了三维的图灵斑图。

3.4 磁场影响

我们用交互线圈来产生磁场，并把培养皿放在线圈的上方，这样就会有磁场通过培养皿，另外我们也用两个条形磁铁来提供磁场。

无磁场影响的情况下，形成斑点状的图灵斑图；在有磁场影响的情况下，在磁场中其形状如同一朵花，先是出现一圈圈的环状斑纹，出现顺序为由里而外，斑图逐渐变得扁长，并渐渐连成一线，最后成为放射状，内密外疏。

3.5 电场影响

蓝瓶子实验（水温控制在30～40℃）：把蓝瓶子溶液放在电场中，静置，十几秒后观察现象。

15秒后，在玻璃皿中形成2个平行的螺旋，在以前的研究中也发现过类似的螺旋状图灵斑图[6]，实验中这两个螺旋在不停地运动，且运动方向是相反的。30秒后，这两个螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立体的图案。与所有图灵斑图不一样的是，在培养皿的边缘形成了一条条竖直的蓝色线段，且它们间的间距相等。由此看来，电场对图灵斑图的形成是有巨大影响的。

3.6 溶液的深度影响

由实验可知溶液越深，越容易形成条状三维图灵斑图，溶液越浅越容易形成二维的点状图灵斑图。

4 创新及意义

（1）尽管有许多化学振荡反应，在过去几年里，De Kepper小组致力于在众多的振荡反应中来发现图灵斑图，如二氧化氯-碘离子（CDI）反应、过氧化氢-亚硫酸钠-硫代硫酸钠（CT）反应、碘酸根离子-亚硫酸根离子-硫脲素（TuIS），但仅在FIS体系中发现图灵斑图[7]。迄今为止，共有5个体系发现了图灵斑图[8～11]，如CIMA体系（亚氯酸钠-碘化钠-丙二酸-淀粉）、PA-MBO体系（聚乙烯-甲基蓝-硫化钠-氧气）FIS体系（亚铁氰化钾-碘酸钠-亚硫酸钠）、BZ-AOT体系（水、油、阳离子表面活性剂、BZ反应介质）、TuIS RD体系（碘酸根离子-亚硫酸根离子-硫脲素）。笔者新发现了一种能产生图灵斑图的反应体系（即葡萄糖-氢氧化钠-亚甲基蓝或者碱性藏红花），为图灵斑图的体系增加了新成员。

（2）此前的图灵斑图都要在复杂的特定反应容器[12]中才能产生，图16 [13]是一种常见的图灵斑图产生器。有些图灵斑图的产生还需要聚乙烯胶水来产生胶层，这些图灵斑图的产生均比较复杂，笔者通过实验发现了一种新的用培养皿就能产生图灵斑图的方法。

（3）本文探究了不同条件对图灵斑图形状的影响，进一步丰富了对图灵斑图的认识。

（4）已有的相关研究成果预测了三维图灵斑图的存在，但还没有在实验中观察到，笔者在实验室里真实地观察到了三维图灵斑图的存在。

参考文献：

[1] Turing A M. Phil Trans R Soc London Ser B， 1952：327.

[2]王祖浩，王程杰.中学化学创新实验[M].南宁：广西教育出版社，2007：143～144.

[3][4][12][13]解荣永，苗琛，王玉梅等.图灵图案的研究进展[J].宿州学院学报，第22卷第3期，2007，（6）.

[5][6][8]欧阳颀，反应扩散系统中的斑图动力学[M].上海：上海科技教育出版社，1992：3.

[7][9] Haimiao Liu， John A Pojman， Yuemin Zhao. Pattern formation in the iodate-sulfite-thiosulfatere action-diffusion system， Phys.Chem. Chem.Phys. ， 2012，（14）：131～137.

[10] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2009：324，772.

[11] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2010：239，776.

3.4 磁场影响

我们用交互线圈来产生磁场，并把培养皿放在线圈的上方，这样就会有磁场通过培养皿，另外我们也用两个条形磁铁来提供磁场。

无磁场影响的情况下，形成斑点状的图灵斑图；在有磁场影响的情况下，在磁场中其形状如同一朵花，先是出现一圈圈的环状斑纹，出现顺序为由里而外，斑图逐渐变得扁长，并渐渐连成一线，最后成为放射状，内密外疏。

3.5 电场影响

蓝瓶子实验（水温控制在30～40℃）：把蓝瓶子溶液放在电场中，静置，十几秒后观察现象。

15秒后，在玻璃皿中形成2个平行的螺旋，在以前的研究中也发现过类似的螺旋状图灵斑图[6]，实验中这两个螺旋在不停地运动，且运动方向是相反的。30秒后，这两个螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立体的图案。与所有图灵斑图不一样的是，在培养皿的边缘形成了一条条竖直的蓝色线段，且它们间的间距相等。由此看来，电场对图灵斑图的形成是有巨大影响的。

3.6 溶液的深度影响

由实验可知溶液越深，越容易形成条状三维图灵斑图，溶液越浅越容易形成二维的点状图灵斑图。

4 创新及意义

（1）尽管有许多化学振荡反应，在过去几年里，De Kepper小组致力于在众多的振荡反应中来发现图灵斑图，如二氧化氯-碘离子（CDI）反应、过氧化氢-亚硫酸钠-硫代硫酸钠（CT）反应、碘酸根离子-亚硫酸根离子-硫脲素（TuIS），但仅在FIS体系中发现图灵斑图[7]。迄今为止，共有5个体系发现了图灵斑图[8～11]，如CIMA体系（亚氯酸钠-碘化钠-丙二酸-淀粉）、PA-MBO体系（聚乙烯-甲基蓝-硫化钠-氧气）FIS体系（亚铁氰化钾-碘酸钠-亚硫酸钠）、BZ-AOT体系（水、油、阳离子表面活性剂、BZ反应介质）、TuIS RD体系（碘酸根离子-亚硫酸根离子-硫脲素）。笔者新发现了一种能产生图灵斑图的反应体系（即葡萄糖-氢氧化钠-亚甲基蓝或者碱性藏红花），为图灵斑图的体系增加了新成员。

（2）此前的图灵斑图都要在复杂的特定反应容器[12]中才能产生，图16 [13]是一种常见的图灵斑图产生器。有些图灵斑图的产生还需要聚乙烯胶水来产生胶层，这些图灵斑图的产生均比较复杂，笔者通过实验发现了一种新的用培养皿就能产生图灵斑图的方法。

（3）本文探究了不同条件对图灵斑图形状的影响，进一步丰富了对图灵斑图的认识。

（4）已有的相关研究成果预测了三维图灵斑图的存在，但还没有在实验中观察到，笔者在实验室里真实地观察到了三维图灵斑图的存在。

参考文献：

[1] Turing A M. Phil Trans R Soc London Ser B， 1952：327.

[2]王祖浩，王程杰.中学化学创新实验[M].南宁：广西教育出版社，2007：143～144.

[3][4][12][13]解荣永，苗琛，王玉梅等.图灵图案的研究进展[J].宿州学院学报，第22卷第3期，2007，（6）.

[5][6][8]欧阳颀，反应扩散系统中的斑图动力学[M].上海：上海科技教育出版社，1992：3.

[7][9] Haimiao Liu， John A Pojman， Yuemin Zhao. Pattern formation in the iodate-sulfite-thiosulfatere action-diffusion system， Phys.Chem. Chem.Phys. ， 2012，（14）：131～137.

[10] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2009：324，772.

[11] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2010：239，776.

3.4 磁场影响

我们用交互线圈来产生磁场，并把培养皿放在线圈的上方，这样就会有磁场通过培养皿，另外我们也用两个条形磁铁来提供磁场。

无磁场影响的情况下，形成斑点状的图灵斑图；在有磁场影响的情况下，在磁场中其形状如同一朵花，先是出现一圈圈的环状斑纹，出现顺序为由里而外，斑图逐渐变得扁长，并渐渐连成一线，最后成为放射状，内密外疏。

3.5 电场影响

蓝瓶子实验（水温控制在30～40℃）：把蓝瓶子溶液放在电场中，静置，十几秒后观察现象。

15秒后，在玻璃皿中形成2个平行的螺旋，在以前的研究中也发现过类似的螺旋状图灵斑图[6]，实验中这两个螺旋在不停地运动，且运动方向是相反的。30秒后，这两个螺旋不停地向溶液中伸展，最后形成了漂亮的立体的图案。与所有图灵斑图不一样的是，在培养皿的边缘形成了一条条竖直的蓝色线段，且它们间的间距相等。由此看来，电场对图灵斑图的形成是有巨大影响的。

3.6 溶液的深度影响

由实验可知溶液越深，越容易形成条状三维图灵斑图，溶液越浅越容易形成二维的点状图灵斑图。

4 创新及意义

（1）尽管有许多化学振荡反应，在过去几年里，De Kepper小组致力于在众多的振荡反应中来发现图灵斑图，如二氧化氯-碘离子（CDI）反应、过氧化氢-亚硫酸钠-硫代硫酸钠（CT）反应、碘酸根离子-亚硫酸根离子-硫脲素（TuIS），但仅在FIS体系中发现图灵斑图[7]。迄今为止，共有5个体系发现了图灵斑图[8～11]，如CIMA体系（亚氯酸钠-碘化钠-丙二酸-淀粉）、PA-MBO体系（聚乙烯-甲基蓝-硫化钠-氧气）FIS体系（亚铁氰化钾-碘酸钠-亚硫酸钠）、BZ-AOT体系（水、油、阳离子表面活性剂、BZ反应介质）、TuIS RD体系（碘酸根离子-亚硫酸根离子-硫脲素）。笔者新发现了一种能产生图灵斑图的反应体系（即葡萄糖-氢氧化钠-亚甲基蓝或者碱性藏红花），为图灵斑图的体系增加了新成员。

（2）此前的图灵斑图都要在复杂的特定反应容器[12]中才能产生，图16 [13]是一种常见的图灵斑图产生器。有些图灵斑图的产生还需要聚乙烯胶水来产生胶层，这些图灵斑图的产生均比较复杂，笔者通过实验发现了一种新的用培养皿就能产生图灵斑图的方法。

（3）本文探究了不同条件对图灵斑图形状的影响，进一步丰富了对图灵斑图的认识。

（4）已有的相关研究成果预测了三维图灵斑图的存在，但还没有在实验中观察到，笔者在实验室里真实地观察到了三维图灵斑图的存在。

参考文献：

[1] Turing A M. Phil Trans R Soc London Ser B， 1952：327.

[2]王祖浩，王程杰.中学化学创新实验[M].南宁：广西教育出版社，2007：143～144.

[3][4][12][13]解荣永，苗琛，王玉梅等.图灵图案的研究进展[J].宿州学院学报，第22卷第3期，2007，（6）.

[5][6][8]欧阳颀，反应扩散系统中的斑图动力学[M].上海：上海科技教育出版社，1992：3.

[7][9] Haimiao Liu， John A Pojman， Yuemin Zhao. Pattern formation in the iodate-sulfite-thiosulfatere action-diffusion system， Phys.Chem. Chem.Phys. ， 2012，（14）：131～137.

[10] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2009：324，772.

[11] J.Horvath， I. Szala and P. De Kepper， Science， 2010：239，776.