stringtranslate.com

Формирование паттерна

Формирование паттерна в вычислительной модели роста дендритов .

Наука о формировании закономерностей имеет дело с видимыми ( статистически ) упорядоченными результатами самоорганизации и общими принципами, лежащими в основе сходных закономерностей в природе .

В биологии развития формирование паттерна относится к образованию сложных организаций клеточных судеб в пространстве и времени. Роль генов в формировании паттерна является аспектом морфогенеза , создания разнообразных анатомий из схожих генов, который в настоящее время изучается в науке эволюционной биологии развития или evo-devo. Задействованные механизмы хорошо видны в передне-заднем формировании паттерна эмбрионов модельного организма Drosophila melanogaster (плодовая мушка), одного из первых организмов, морфогенез которых был изучен, и в глазных пятнах бабочек, развитие которых является вариантом стандартного механизма (плодовая мушка).

Закономерности в природе

Примеры формирования паттернов можно найти в биологии, физике и науке [1] , и их можно легко смоделировать с помощью компьютерной графики, как описано ниже.

Биология

Биологические закономерности, такие как маркировка животных , сегментация животных и филлотаксис , формируются по-разному. [2]

В биологии развития формирование паттерна описывает механизм, посредством которого изначально эквивалентные клетки в развивающейся ткани эмбриона принимают сложные формы и функции. [3] Эмбриогенез , например, плодовой мушки Drosophila , включает в себя скоординированный контроль судеб клеток . [4] [5] [6] Формирование паттерна контролируется генетически и часто включает в себя каждую клетку в поле, ощущающую и реагирующую на свое положение вдоль градиента морфогена , за которым следует короткая межклеточная коммуникация через клеточные сигнальные пути для уточнения первоначального паттерна. В этом контексте поле клеток представляет собой группу клеток, судьбы которых зависят от реагирования 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 плане морфология организмов формируется механизмами эволюционной биологии развития , такими как изменение сроков 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 упругой нестабильности , который, как полагают, отвечает за формирование складчатых структур в коре головного мозга высших животных, среди прочего. [11] [12]

Рост колоний

Бактериальные колонии демонстрируют большое разнообразие узоров, сформированных во время роста колонии. Результирующие формы зависят от условий роста. В частности, стрессы (жесткость питательной среды, недостаток питательных веществ и т. д.) повышают сложность результирующих узоров. [13] Другие организмы, такие как слизевики, демонстрируют замечательные узоры, вызванные динамикой химической сигнализации. [14] Клеточное воплощение (удлинение и адгезия) также может оказывать влияние на развивающиеся узоры. [15]

Модели растительности

Тигровый кустарник — это растительный узор , формирующийся в засушливых условиях.

Такие растительные узоры , как тигровый куст [16] и пихтовые волны [17], образуются по разным причинам. Тигровый куст состоит из полос кустарников на засушливых склонах в таких странах, как Нигер , где рост растений ограничен осадками. Каждая примерно горизонтальная полоса растительности поглощает дождевую воду из голой зоны непосредственно над ней. [16] Напротив, пихтовые волны возникают в лесах на горных склонах после возмущения ветра, во время регенерации. Когда деревья падают, деревья, которые они укрывали, становятся открытыми 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 равнинных территориях появляются дополнительные морфологии узоров помимо полос - шестиугольные узоры промежутков и шестиугольные узоры пятен. Формирование узора в этом случае обусловлено положительными обратными связями между местным ростом растительности и транспортировкой воды к месту роста. [18] [19]

Химия

Формирование паттернов хорошо изучено в химии и химической инженерии, включая как температурные, так и концентрационные паттерны. [20] Модель Брюсселятора, разработанная Ильей Пригожиным и его коллегами, является одним из таких примеров, демонстрирующих неустойчивость Тьюринга . [21] Формирование паттернов в химических системах часто включает колебательную химическую кинетику или автокаталитические реакции [22], такие как реакция Белоусова-Жаботинского или реакция Бриггса-Раушера . В промышленных приложениях, таких как химические реакторы, формирование паттернов может приводить к появлению точек перегрева, которые могут снизить выход или создать опасные проблемы безопасности, такие как тепловой разгон . [23] [20] Возникновение формирования паттернов можно изучить с помощью математического моделирования и имитации базовой системы реакция-диффузия . [20] [22]

Аналогично химическим системам, в слабоионизированной плазме положительного столба тлеющего разряда могут развиваться закономерности. В таких случаях рождение и уничтожение заряженных частиц за счет столкновений атомов соответствует реакциям в химических системах. Соответствующие процессы существенно нелинейны и приводят в разрядной трубке к образованию страт регулярного или случайного характера. [24] [25]

Физика

Когда плоское тело жидкости под действием гравитации нагревается снизу, конвекция Рэлея-Бенара может образовывать организованные ячейки в шестиугольниках или других формах. Эти узоры формируются на поверхности Солнца и в мантии Земли , а также в ходе более прозаических процессов. Взаимодействие между вращением, гравитацией и конвекцией может приводить к тому, что планетарные атмосферы формируют узоры, как это видно на примере шестиугольника Сатурна , Большого Красного Пятна и полос Юпитера . Те же процессы вызывают упорядоченные образования облаков на Земле, такие как полосы и рулоны .

В 1980-х годах Лугиато и Лефевер разработали модель распространения света в оптической полости, которая приводит к формированию узоров за счет использования нелинейных эффектов.

Осаждающиеся и затвердевающие материалы могут кристаллизоваться в сложные узоры, подобные тем, что можно увидеть в снежинках и дендритных кристаллах .

Математика

Упаковки и покрытия сфер. Математика лежит в основе других перечисленных механизмов формирования узоров.

Компьютерная графика

Рисунок, напоминающий модель реакции-диффузии , созданный с помощью резкости и размытия

Некоторые типы автоматов использовались для создания текстур, выглядящих органично , для более реалистичного затенения 3D-объектов . [ 26] [27]

Популярный плагин Photoshop, KPT 6 , включал фильтр под названием «реакция KPT». Реакция производила шаблоны в стиле реакция–диффузия на основе предоставленного изображения-источника.

Похожий эффект «реакции KPT» может быть достигнут с помощью функций свертки в цифровой обработке изображений , с небольшим терпением, многократно увеличивая резкость и размывая изображение в графическом редакторе. Если использовать другие фильтры, такие как тиснение или обнаружение краев , можно достичь различных типов эффектов.

Компьютеры часто используются для моделирования биологических, физических или химических процессов, которые приводят к образованию паттернов, и они могут отображать результаты реалистичным образом. Расчеты с использованием моделей, таких как реакция-диффузия или MClone, основаны на реальных математических уравнениях, разработанных учеными для моделирования изучаемых явлений.

Ссылки

  1. ^ Болл, 2009.
  2. ^ Болл, 2009. Формы , стр. 231–252.
  3. ^ Болл, 2009. Формы, стр. 261–290.
  4. ^ Эрик С. Лай (март 2004 г.). «Сигнализация Notch: контроль клеточной коммуникации и судьбы клеток». Развитие . 131 (5): 965–73. doi :10.1242/dev.01074. PMID  14973298. S2CID  6930563.
  5. ^ Мелинда Дж. Тайлер; Дэвид А. Кэмерон (2007). «Формирование клеточного рисунка во время регенерации сетчатки: роль гомотипического контроля приобретения судьбы клеток». Vision Research . 47 (4): 501–511. doi : 10.1016/j.visres.2006.08.025 . PMID  17034830. S2CID  15998615.
  6. ^ Ганс Мейнхард (26 октября 2001 г.). «Формирование биологического паттерна: как клетки общаются друг с другом, чтобы добиться воспроизводимого формирования паттерна». Институт Макса Планка по биологии энтузиастов, Тюбинген, Германия.
  7. ^ Wolpert L (октябрь 1969). «Позиционная информация и пространственная схема клеточной дифференциации». J. Theor. Biol . 25 (1): 1–47. Bibcode :1969JThBi..25....1W. doi :10.1016/S0022-5193(69)80016-0. PMID  4390734.
  8. ^ Вулперт, Льюис и др. (2007). Принципы развития (3-е изд.). Оксфорд [Оксфордшир]: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-927536-6.
  9. ^ Холл, Б.К. (2003). «Эво-Дево: эволюционные механизмы развития». Международный журнал биологии развития . 47 (7–8): 491–495. PMID  14756324.
  10. ^ S. Kondo, T. Miura, «Реакционно-диффузионная модель как основа для понимания формирования биологических паттернов», Science 24 сентября 2010 г.: том 329, выпуск 5999, стр. 1616-1620 DOI: 10.1126/science.1179047
  11. ^ Меркер, М.; Бринкманн, Ф.; Марциняк-Чохра, А.; Рихтер, Т. (4 мая 2016 г.). «За пределами Тьюринга: формирование механохимических паттернов в биологических тканях». Biology Direct . 11 : 22. doi : 10.1186/s13062-016-0124-7 . PMC 4857296. PMID  27145826 . 
  12. ^ Таллинен и др. Nature Physics 12, 588–593 (2016) doi:10.1038/nphys3632
  13. ^ Болл, 2009. Ветви , стр. 52–59.
  14. ^ Болл, 2009. Формы , стр. 149–151.
  15. ^ Дюран-Небреда, Сальва; Пла, Джорди; Видиелла, Блай; Пиньеро, Хорди; Конде-Пуэйо, Нурия; Соле, Рикар (15 января 2021 г.). «Синтетическое латеральное ингибирование периодического паттерна формирования микробных колоний». ACS Синтетическая биология . 10 (2): 277–285. doi : 10.1021/acsynbio.0c00318. ISSN  2161-5063. ПМЦ 8486170 . ПМИД  33449631. 
  16. ^ ab Tongway, DJ, Valentin, C. & Seghieri, J. (2001). Полосчатая растительность в засушливых и полузасушливых условиях . Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-1-4612-6559-7.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  17. ^ ab D'Avanzo, C. (22 февраля 2004 г.). "Пихтовые волны: регенерация в хвойных лесах Новой Англии". TIEE . Получено 26 мая 2012 г.
  18. ^ Мерон, Э. (2019). «Формирование растительности: механизмы, лежащие в основе форм». Physics Today . 72 (11): 30–36. Bibcode : 2019PhT....72k..30M. doi : 10.1063/PT.3.4340. S2CID  209478350.
  19. ^ Мерон, Э. (2018). «От моделей к функциям в живых системах: экосистемы засушливых земель как пример». Ежегодный обзор физики конденсированных сред . 9 : 79–103. Bibcode :2018ARCMP...9...79M. doi : 10.1146/annurev-conmatphys-033117-053959 .
  20. ^ abc Gupta, Ankur; Chakraborty, Saikat (январь 2009 г.). «Анализ линейной устойчивости моделей высокой и низкой размерности для описания образования структур, ограниченных смешиванием, в гомогенных автокаталитических реакторах». Chemical Engineering Journal . 145 (3): 399–411. doi :10.1016/j.cej.2008.08.025. ISSN  1385-8947.
  21. ^ Пригожин, И.; Николис, Г. (1985), Хазевинкель, М.; Юркович, Р.; Пейлинк, Дж. Х. П. (ред.), «Самоорганизация в неравновесных системах: к динамике сложности», Бифуркационный анализ: принципы, приложения и синтез , Springer Netherlands, стр. 3–12, doi :10.1007/978-94-009-6239-2_1, ISBN 978-94-009-6239-2
  22. ^ ab Gupta, Ankur; Chakraborty, Saikat (2008-01-19). "Динамическое моделирование образования ограниченных смешиванием структур в гомогенных автокаталитических реакциях". Моделирование химических продуктов и процессов . 3 (2). doi :10.2202/1934-2659.1135. ISSN  1934-2659. S2CID  95837792.
  23. ^ Марваха, Бхарат; Сундаррам, Сандхья; Лусс, Дан (сентябрь 2004 г.). «Динамика поперечных горячих зон в реакторах с неглубокой насадко醻. Журнал физической химии B. 108 ( 38): 14470–14476. doi :10.1021/jp049803p. ISSN  1520-6106.
  24. ^ Игорь Грабец (1974). «Нелинейные свойства волн ионизации большой амплитуды». Физика жидкостей . 17 (10): 1834–1840. Bibcode :1974PhFl...17.1834G. doi : 10.1063/1.1694626 .
  25. ^ Игорь Грабец; Саймон Мандель (2001). «Десинхронизация страт в развитии ионизационной турбулентности». Physics Letters A. 287 ( 1–2): 105–110. Bibcode : 2001PhLA..287..105G. doi : 10.1016/S0375-9601(01)00406-6.
  26. ^ Грег Турк, Реакция–Диффузия
  27. ^ Эндрю Уиткин; Майкл Касси (1991). "Реакционно-диффузионные текстуры" (PDF) . Труды 18-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям - SIGGRAPH '91 . стр. 299–308. doi :10.1145/122718.122750. ISBN 0-89791-436-8. S2CID  207162368.{{cite book}}: CS1 maint: date and year (link)

Библиография

Внешние ссылки