Формирование узора
| Сложные системы |
|---|
| Темы |
Наука о формировании паттернов занимается 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 судеб клеток в пространстве и времени. Роль генов в формировании паттернов — это аспект морфогенеза , создания разнообразных анатомий из схожих генов, который сейчас исследуется в науке эволюционной биологии развития или эво-дево. Задействованные механизмы хорошо видны в передне-заднем паттерне эмбрионов модельного организма Drosophila melanogaster (плодовая мушка), одного из первых организмов, морфогенез которого изучен, а также в глазных пятнах бабочек, развитие которых представляет собой вариант стандартный (плодовая мушка) механизм.
Закономерности в природе [ править ]
Примеры формирования паттернов можно найти в биологии, физике и естественных науках. [1] и может быть легко смоделирован с помощью компьютерной графики, как описано ниже.
Биология [ править ]
Биологические закономерности, такие как маркировка животных , сегментация животных и филлотаксис , формируются по-разному. [2]
В биологии развития формирование паттернов описывает механизм, с помощью которого первоначально эквивалентные клетки в развивающейся ткани эмбриона принимают сложные формы и функции. [3] Эмбриогенез , например, у плодовой мухи Drosophila , включает скоординированный контроль судеб клеток . [4] [5] [6] Формирование паттерна генетически контролируется и часто включает в себя каждую клетку в поле, воспринимающую и реагирующую на свое положение вдоль градиента морфогена , с последующей связью между клетками на коротких расстояниях через сигнальные пути клеток для уточнения исходного паттерна. В этом контексте поле клеток — это группа клеток, на судьбу которых влияет реакция на одни и те же наборы позиционных информационных сигналов. Эта концептуальная модель была впервые описана как модель французского флага в 1960-х годах. [7] [8] В более общем смысле, морфология организмов определяется 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 упругой нестабильности , который, как полагают, отвечает за структуру складок в коре головного мозга высших животных. , среди прочего, [11] [12]
Рост колоний [ править ]
Бактериальные колонии демонстрируют большое разнообразие моделей, образующихся во время роста колоний. Полученные формы зависят от условий роста. В частности, стрессы (жесткость питательной среды, недостаток питательных веществ и т. д.) увеличивают сложность получаемых закономерностей. [13] Другие организмы, такие как слизевики, демонстрируют замечательные закономерности, вызванные динамикой химической передачи сигналов. [14] Клеточный вариант (удлинение и адгезия) также может оказывать влияние на развивающиеся узоры. [15]
Образцы растительности [ править ]
Образцы растительности, такие как тигровый куст. [16] и еловые волны [17] формируются по разным причинам. Тигровый куст состоит из полос кустарников на засушливых склонах в таких странах, как Нигер , где рост растений ограничен количеством осадков. Каждая примерно горизонтальная полоса растительности поглощает дождевую воду из голой зоны непосредственно над ней. [16] Напротив, в лесах на склонах гор после ветрового возмущения, во время возобновления, возникают еловые волны. Когда деревья падают, деревья, которые они укрывали, становятся обнаженными и, в свою очередь, с большей вероятностью будут повреждены, поэтому проломы имеют тенденцию расширяться с подветренной стороны. Тем временем с наветренной стороны растут молодые деревья, защищенные ветровой тенью остальных высоких деревьев. [17] На равнинной местности помимо полос появляются дополнительные морфологии узоров - узоры с шестиугольными промежутками и узоры из шестиугольных пятен. Формирование узора в этом случае обусловлено петлями положительной обратной связи между ростом местной растительности и переносом воды к месту роста. [18] [19]
Химия [ править ]
![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( март 2013 г. ) |
Формирование узоров хорошо изучено в химии и химической технологии, включая как температурные, так и концентрационные закономерности. [20] Модель Брюсселатора, разработанная Ильей Пригожиным и его сотрудниками, является одним из таких примеров, демонстрирующих неустойчивость Тьюринга . [21] Формирование структур в химических системах часто связано с колебательной химической кинетикой или автокаталитическими реакциями. [22] такие как реакция Белоусова-Жаботинского или реакция Бриггса-Раушера . В промышленных применениях, таких как химические реакторы, образование узоров может привести к образованию температурных точек, которые могут снизить производительность или создать опасные проблемы с безопасностью, такие как тепловой выход из-под контроля . [23] [20] Возникновение образования паттернов можно изучить с помощью математического моделирования и симуляции базовой системы реакции-диффузии . [20] [22]
Как и в химических системах, в слабоионизованной плазме положительного столба тлеющего разряда могут развиваться закономерности. В таких случаях рождение и уничтожение заряженных частиц в результате 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 [ править ]
| Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( март 2013 г. ) |
Когда плоское тело жидкости под действием силы тяжести нагревается снизу, конвекция Рэлея-Бенара может образовывать организованные ячейки шестиугольников или других форм. Эти узоры формируются на поверхности Солнца и в мантии Земли , а также во время более простых процессов. Взаимодействие между вращением, гравитацией и конвекцией может привести к тому, что планетарные атмосферы будут образовывать узоры, как это видно на шестиугольнике Сатурна , Большом Красном Пятне и полосах Юпитера . Эти же процессы вызывают на Земле упорядоченные облачные образования в виде полос и рулонов .
В 1980-х годах Луджиато и Лефевер разработали модель распространения света в оптическом резонаторе, которая приводит к формированию структуры за счет использования нелинейных эффектов.
Осаждающиеся и затвердевающие материалы могут кристаллизоваться в сложные узоры, подобные тем, которые можно увидеть в снежинках и дендритных кристаллах .
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 использовались для создания текстур органического вида для более реалистичного затенения трехмерных объектов . [26] [27]
Популярный плагин для Photoshop KPT 6 включал фильтр под названием «Реакция KPT». Реакция создала паттерны в стиле реакции-диффузии на основе предоставленного исходного изображения.
Эффекта, аналогичного «реакции КПТ», можно добиться с помощью функций свертки в цифровой обработке изображений , проявив немного терпения, путем многократного повышения резкости и размытия изображения в графическом редакторе. Если используются 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 формированию закономерностей, и могут реалистично отображать результаты. Расчеты с использованием таких моделей, как реакция-диффузия или MClone, основаны на реальных математических уравнениях, разработанных учеными для моделирования изучаемых явлений.
Ссылки [ править ]
- ^ Болл, 2009.
- ^ Болл, 2009. Формы , стр. 231–252.
- ^ Болл, 2009. Формы, стр. 261–290.
- ^ Эрик К. Лай (март 2004 г.). «Передача сигналов Notch: контроль клеточной коммуникации и судьбы клеток». Разработка . 131 (5): 965–73. дои : 10.1242/dev.01074 . ПМИД 14973298 . S2CID 6930563 .
- ^ Мелинда Дж. Тайлер; Дэвид А. Кэмерон (2007). «Формирование клеточного рисунка во время регенерации сетчатки: роль гомотипического контроля приобретения судьбы клеток» . Исследование зрения . 47 (4): 501–511. дои : 10.1016/j.visres.2006.08.025 . ПМИД 17034830 . S2CID 15998615 .
- ^ Ганс Мейнхард (26 октября 2001 г.). «Формирование биологического паттерна: как клетки общаются друг с другом, чтобы добиться воспроизводимого формирования паттерна» . Институт биологии развития Макса Планка, Тюбинген, Германия.
- ^ Вулперт Л. (октябрь 1969 г.). «Позиционная информация и пространственная картина клеточной дифференциации». Дж. Теория. Биол . 25 (1): 1–47. Бибкод : 1969JThBi..25....1W . дои : 10.1016/S0022-5193(69)80016-0 . ПМИД 4390734 .
- ^ Вулперт, Льюис; и др. (2007). Принципы развития (3-е изд.). Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-927536-6 .
- ^ Холл, БК (2003). «Эво-Дево: эволюционные механизмы развития». Международный журнал биологии развития . 47 (7–8): 491–495. ПМИД 14756324 .
- ^ С. Кондо, Т. Миура, «Модель реакции-диффузии как основа для понимания формирования биологических закономерностей», Science, 24 сентября 2010 г.: Том. 329, выпуск 5999, стр. 1616-1620 DOI: 10.1126/science.1179047
- ^ Меркер, М; Бринкманн, Ф; Марчиняк-Чохра, А; Рихтер, Т. (4 мая 2016 г.). «За пределами Тьюринга: формирование механохимических структур в биологических тканях» . Биология Директ . 11:22 . дои : 10.1186/s13062-016-0124-7 . ПМЦ 4857296 . ПМИД 27145826 .
- ^ Таллинен и др. Nature Physics 12, 588–593 (2016) doi:10.1038/nphys3632
- ^ Болл, 2009. Филиалы , стр. 52–59.
- ^ Болл, 2009. Формы , стр. 149–151.
- ^ Дюран-Небреда, Сальва; Пла, Джордж; Видиэлла, Блай; Пиньеро, Хорди; Конде-Пуэйо, Нурия; Соле, Рикар (15 января 2021 г.). «Синтетическое латеральное ингибирование в периодическом паттерне формирования микробных колоний» . ACS Синтетическая биология . 10 (2): 277–285. doi : 10.1021/acsynbio.0c00318 . ISSN 2161-5063 . ПМЦ 8486170 . ПМИД 33449631 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Тонгуэй, ди-джей, Валентин, К. и Сегиери, Дж. (2001). Полосатая растительность в засушливых и полузасушливых условиях . Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-1-4612-6559-7 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Д'Аванзо, К. (22 февраля 2004 г.). «Пихтовые волны: регенерация хвойных лесов Новой Англии» . ГАЛСТУК . Проверено 26 мая 2012 г.
- ^ Мерон, Э (2019). «Формирование растительного рисунка: механизмы формирования форм». Физика сегодня . 72 (11): 30–36. Бибкод : 2019ФТ....72к..30М . дои : 10.1063/PT.3.4340 . S2CID 209478350 .
- ^ Мерон, Э (2018). «От закономерностей к функционированию в живых системах: экосистемы засушливых земель как пример» . Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 9 : 79–103. Бибкод : 2018ARCMP...9...79M . doi : 10.1146/annurev-conmatphys-033117-053959 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Гупта, Анкур; Чакраборти, Сайкат (январь 2009 г.). «Анализ линейной устойчивости моделей высокой и низкой размерности для описания формирования структуры, ограниченной смешиванием, в гомогенных автокаталитических реакторах». Химико-технологический журнал . 145 (3): 399–411. doi : 10.1016/j.cej.2008.08.025 . ISSN 1385-8947 .
- ^ Пригожин И.; Николис Г. (1985), Хазевинкель М.; Юркович Р.; Паелинк, Дж. Х. П. (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 978-94-009-6239-2
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Гупта, Анкур; Чакраборти, Сайкат (19 января 2008 г.). «Динамическое моделирование формирования структуры, ограниченной смешиванием, в гомогенных автокаталитических реакциях». Моделирование химических продуктов и процессов . 3 (2). дои : 10.2202/1934-2659.1135 . ISSN 1934-2659 . S2CID 95837792 .
- ^ Марваха, Бхарат; Сундаррам, Сандхья; Лусс, Дэн (сентябрь 2004 г.). «Динамика поперечных горячих зон в неглубоких реакторах с насадочным слоем †». Журнал физической химии Б. 108 (38): 14470–14476. дои : 10.1021/jp049803p . ISSN 1520-6106 .
- ^ Игорь Грабец (1974). «Нелинейные свойства волн ионизации большой амплитуды» . Физика жидкостей . 17 (10): 1834–1840. Бибкод : 1974PhFl...17.1834G . дои : 10.1063/1.1694626 .
- ^ Игорь Грабец; Саймон Мандель (2001). «Десинхронизация страт при развитии ионизационной турбулентности». Буквы по физике А. 287 (1–2): 105–110. Бибкод : 2001PhLA..287..105G . дои : 10.1016/S0375-9601(01)00406-6 .
- ^ Грег Терк, Реакция-диффузия
- ^ Эндрю Уиткин; Майкл Касси (1991). «Реакционно-диффузионные текстуры» (PDF) . Материалы 18-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям - SIGGRAPH '91 . стр. 299–308. дои : 10.1145/122718.122750 . ISBN 0-89791-436-8 . S2CID 207162368 .
{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )
Библиография [ править ]
- Болл, Филип (2009). Узоры природы: гобелен в трёх частях. 1: Формы. 2: Поток. 3: Филиалы . Оксфорд. ISBN 978-0-19-960486-9 .
Внешние ссылки [ править ]
- SpiralZoom.com , образовательный веб-сайт о науке формирования узоров, спиралях в природе и спиралях в мифическом воображении (архивировано 14 мая 2019 г.)
- «15-строчный код Matlab» . Простая 15-строчная программа Matlab для моделирования формирования 2D-образцов для модели реакции-диффузии.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
