| Комплексные системы |
|---|
| Темы |
Наука о формировании паттернов имеет дело с видимыми ( статистически ) упорядоченными результатами самоорганизации и общими принципами, лежащими в основе подобных паттернов в природе .
В биологии развития формирование паттернов относится к созданию сложных организаций клеточных судеб в пространстве и времени. Формирование узора контролируется генами . Роль генов в формировании паттернов - это аспект морфогенеза , создание разнообразных анатомий на основе схожих генов, который сейчас исследуется в науке эволюционной биологии развития или evo-DevO. Механизмы , участвующие хорошо видны в передне-заднем паттерне эмбрионов от модели организма дрозофилы (плодовая мушка), один из первых организмов, что его морфогенез изучены и в глазках бабочек, развитие которых является вариантом стандартного (плодовая мушка) механизма.
Примеры [ править ]
Примеры формирования паттернов можно найти в биологии, химии, физике и математике [1], и их можно легко смоделировать с помощью компьютерной графики, как в свою очередь описано ниже.
Биология [ править ]
Биологические закономерности, такие как маркировка животных , сегментация животных и филлотаксис , формируются по-разному. [2]
В биологии развития формирование паттерна описывает механизм, с помощью которого первоначально эквивалентные клетки в развивающейся ткани эмбриона принимают сложные формы и функции. [3] Эмбриогенез , например у плодовой мушки Drosophila , включает скоординированный контроль судьбы клеток . [4] [5] [6] Формирование паттерна контролируется генетически и часто включает в себя каждую клетку в поле, воспринимающую и реагирующую на свое положение вдоль градиента морфогена , за которым следует коммуникация между клетками на короткие расстояния посредством передачи сигналов между клетками.пути для уточнения исходного рисунка. В этом контексте поле ячеек - это группа ячеек, судьба которых зависит от реакции на одни и те же заданные позиционные информационные сигналы. Эта концептуальная модель была впервые описана как модель французского флага в 1960-х годах. [7] [8] В более общем смысле, морфология организмов формируется механизмами эволюционной биологии развития , такими как изменение времени и положения определенных событий развития в эмбрионе. [9]
Возможные механизмы формирования паттернов в биологических системах включают классическую модель реакции-диффузии, предложенную Аланом Тьюрингом [10], и недавно обнаруженный механизм эластической нестабильности , который, как полагают, отвечает за паттерны складок в коре головного мозга высших животных, среди прочего вещи. [11] [12]
Рост колоний [ править ]
Бактериальные колонии демонстрируют большое разнообразие структур, образующихся во время роста колоний. Полученные формы зависят от условий выращивания. В частности, стрессы (жесткость питательной среды, недостаток питательных веществ и т. Д.) Усиливают сложность получаемых рисунков. [13] Другие организмы, такие как слизистые плесени, демонстрируют замечательные закономерности, вызванные динамикой химических сигналов. [14] Ячеистое воплощение (удлинение и адгезия) также может влиять на развивающиеся узоры. [15]
Образцы растительности [ править ]
Такие структуры растительности , как тигровый куст [16] и пихтовые волны [17], формируются по разным причинам. Куст тигра состоит из полос кустов на засушливых склонах в таких странах, как Нигер, где рост растений ограничен дождями. Каждая примерно горизонтальная полоса растительности поглощает дождевую воду из голой зоны непосредственно над собой. [16] Напротив, пихтовые волны возникают в лесах на горных склонах после ветрового волнения, во время регенерации. Когда деревья падают, деревья, которые они укрывали, становятся незащищенными и, в свою очередь, с большей вероятностью будут повреждены, поэтому промежутки имеют тенденцию расширяться по ветру. Между тем с наветренной стороны растут молодые деревья, защищенные ветровой тенью оставшихся высоких деревьев. [17]На ровной местности помимо полос появляются дополнительные морфологии рисунка - гексагональные рисунки с зазорами и гексагональные пятна. Формирование паттерна в этом случае обусловлено петлями положительной обратной связи между ростом местной растительности и переносом воды к месту произрастания. [18] [19]
Химия [ править ]
Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( Март 2013 г. ) |
Формирование структур хорошо изучено в химии и химической инженерии, включая температурные и концентрационные закономерности. [20] Модель Брюсселатора, разработанная Ильей Пригожиным и соавторами, является одним из таких примеров, демонстрирующих нестабильность Тьюринга . [21] Формирование паттернов в химических системах часто связано с колебательной химической кинетикой или автокаталитическими реакциями [22], такими как реакция Белоусова – Жаботинского или реакция Бриггса – Раушера.. В промышленных применениях, таких как химические реакторы, образование рисунка может привести к появлению горячих точек, которые могут снизить выход продукции или создать опасные проблемы безопасности, такие как тепловой разгон . [23] [20] Возникновение образования паттернов можно изучить с помощью математического моделирования и моделирования лежащей в основе системы реакции-диффузии . [20] [22]
- Реакция Белоусова – Жаботинского
- Кольца Лизеганга
Физика [ править ]
Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( Март 2013 г. ) |
В 1980-х годах Лугиато и Лефевер разработали модель распространения света в оптическом резонаторе, которая приводит к формированию рисунка за счет использования нелинейных эффектов.
Клетки Бенара , лазер , образования облаков в виде полос или рулонов. Рябь в сосульках. Выкройки стиральной доски на грунтовых дорогах. Дендриты при затвердевании , жидкие кристаллы . Солитоны .
Математика [ править ]
Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( Март 2013 г. ) |
Сферические упаковки и покрытия. Математика лежит в основе других перечисленных механизмов формирования паттернов.
Компьютерная графика [ править ]
Некоторые типы автоматов были использованы для создания органических выглядящих текстур для более реалистичного затенения в 3d объектов . [24] [25]
Популярный плагин для Photoshop, KPT 6 , включает фильтр под названием «реакция KPT». Реакция произвела образцы стиля реакции-диффузии на основе предоставленного исходного изображения.
Эффект, аналогичный «реакции КПТ», может быть достигнут с помощью функций свертки при обработке цифровых изображений , проявив немного терпения, путем многократного повышения резкости и размытия изображения в графическом редакторе. Если используются другие фильтры, такие как тиснение или обнаружение краев , могут быть достигнуты различные типы эффектов.
Компьютеры часто используются для моделирования биологических, физических или химических процессов, которые приводят к формированию паттернов, и они могут отображать результаты реалистично. Расчеты с использованием таких моделей, как реакция-диффузия или MClone , основаны на реальных математических уравнениях, разработанных учеными для моделирования изучаемых явлений.
Ссылки [ править ]
- ↑ Ball, 2009.
- ^ Ball, 2009. Формы , стр. 231-252.
- ^ Ball, 2009. Формы, стр. 261-290.
- ↑ Эрик С. Лай (март 2004 г.). «Передача сигналов Notch: контроль клеточной коммуникации и клеточной судьбы» . Развитие . 131 (5): 965–73. DOI : 10.1242 / dev.01074 . PMID 14973298 .
- ^ Мелинда Дж. Тайлер, Дэвид А. Кэмерон (2007). «Формирование клеточного паттерна во время регенерации сетчатки: роль в гомотипическом контроле приобретения клеточной судьбы». Исследование зрения . 47 (4): 501–511. DOI : 10.1016 / j.visres.2006.08.025 . PMID 17034830 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ Ганс Мейнхард (2001-10-26). «Формирование биологического паттерна: как клетки разговаривают друг с другом для достижения воспроизводимого формирования паттерна» . Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Тюбинген, Германия.
- ^ Wolpert L (октябрь 1969). «Позиционная информация и пространственный образец клеточной дифференциации». J. Theor. Биол . 25 (1): 1–47. DOI : 10.1016 / S0022-5193 (69) 80016-0 . PMID 4390734 .
- ^ Вольперт, Льюис; и другие. (2007). Принципы развития (3-е изд.). Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-927536-6.
- ^ Холл, BK (2003). «Эво-Дево: механизмы эволюционного развития». Международный журнал биологии развития . 47 (7–8): 491–495. PMID 14756324 .
- ^ С. Кондо, Т. Миура, "Модель реакции-диффузии как основа для понимания формирования биологической структуры", Science 24 сентября 2010 г .: Vol. 329, Issue 5999, pp. 1616-1620 DOI: 10.1126 / science.1179047
- ^ Меркер, М; Бринкманн, Ф; Марчиняк-Чохра, А; Рихтер, Т. (4 мая 2016 г.). «Вне Тьюринга: формирование механохимических паттернов в биологических тканях» . Биология Директ . 11 : 22. DOI : 10,1186 / s13062-016-0124-7 . PMC 4857296 . PMID 27145826 .
- ^ Tallinen et al. Nature Physics 12, 588–593 (2016) doi: 10.1038 / nphys3632
- ↑ Ball, 2009. Филиалы , стр. 52–59.
- ↑ Ball, 2009. Shapes , стр. 149–151.
- ↑ Duran-Nebreda, Salva; Пла, Хорди; Видиелла, Блай; Пиньеро, Хорди; Конде-Пуэйо, Нурия; Соле, Рикар (2021-01-15). «Синтетическое латеральное ингибирование в периодическом образце микробных колоний» . Синтетическая биология ACS : acssynbio.0c00318. DOI : 10.1021 / acssynbio.0c00318 . ISSN 2161-5063 .
- ^ a b Tongway, DJ, Валентин, С. и Сегиери, Дж. (2001). Полосатая растительность в засушливых и полузасушливых условиях . Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-1461265597.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ а б Д'Аванцо, К. (22 февраля 2004 г.). «Пихтовые волны: регенерация хвойных лесов Новой Англии» . TIEE . Проверено 26 мая 2012 года .
- ^ Мерон, E (2019). «Формирование растительного покрова: механизмы, лежащие в основе форм». Физика сегодня . 72 (11): 30–36. DOI : 10.1063 / PT.3.4340 .
- ^ Мерон, E (2018). «От моделей к функциям в живых системах: экосистемы засушливых земель в качестве примера». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 9 : 79–103. DOI : 10,1146 / annurev-conmatphys-033117-053959 .
- ^ a b c Гупта, Анкур; Чакраборти, Сайкат (январь 2009 г.). «Линейный анализ устойчивости высоко- и низкоразмерных моделей для описания формирования структуры с ограниченным перемешиванием в гомогенных автокаталитических реакторах». Журнал химической инженерии . 145 (3): 399–411. DOI : 10.1016 / j.cej.2008.08.025 . ISSN 1385-8947 .
- ^ Пригожин, I .; Nicolis, G. (1985), Hazewinkel, M .; Юркович, Р .; Пэлинк, JHP (ред.), «Самоорганизация в неравновесных системах: к динамике сложности», бифуркационный анализ: принципы, приложения и синтез , Springer, Нидерланды, стр. 3–12, DOI : 10.1007 / 978-94-009 -6239-2_1 , ISBN 9789400962392
- ^ а б Гупта, Анкур; Чакраборти, Сайкат (19 января 2008 г.). «Динамическое моделирование образования узора с ограниченным перемешиванием в гомогенных автокаталитических реакциях». Химический продукт и моделирование процессов . 3 (2). DOI : 10.2202 / 1934-2659.1135 . ISSN 1934-2659 .
- ^ Марваха, Бхарат; Сундаррам, Сандхья; Лусс, Дэн (сентябрь 2004 г.). «Динамика поперечных горячих зон в реакторах с мелкой насадкой †». Журнал физической химии B . 108 (38): 14470–14476. DOI : 10.1021 / jp049803p . ISSN 1520-6106 .
- ^ Грег Терк, Реакция-Распространение
- ↑ Эндрю Уиткин; Майкл Касси (1991). "Реакционно-диффузионные текстуры" (PDF) . Материалы 18-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным методам : 299–308. DOI : 10.1145 / 122718.122750 . ISBN 0897914368.
Библиография [ править ]
- Болл, Филипп (2009). Узоры природы: гобелен из трех частей. 1: Формы. 2: Поток. 3: Филиалы . Оксфорд. ISBN 978-0199604869.
Внешние ссылки [ править ]
- SpiralZoom.com , образовательный сайт о науке формирования узоров, спиралях в природе и спиралях в мифическом воображении.
- «15-строчный код Matlab» , простая 15-строчная программа на Matlab для моделирования формирования двумерного паттерна для модели реакции-диффузии.
