Формирование паттерна - Pattern formation

Организационные сложные системы map.jpg
Комплексные системы
Темы
Формирование паттерна в вычислительная модель из дендрит рост.

Наука о формирование рисунка имеет дело с видимым, (статистически ) упорядоченные результаты самоорганизация и общие принципы, лежащие в основе подобных закономерности в природе.

В биология развития, формирование шаблона относится к созданию сложных организаций клеточные судьбы в пространстве и времени. Формирование паттернов контролируется гены. Роль генов в формировании паттернов - это аспект морфогенез, создание разнообразных анатомия от аналогичных генов, которые сейчас исследуются в науке о эволюционная биология развития или эво-дево. Причастные механизмы хорошо видны в передне-заднем формировании паттерна эмбрионы от модельный организм Drosophila melanogaster (плодовая муха), один из первых организмов, морфогенез которого был изучен и в пятна бабочек, развитие которых является вариантом стандартного (плодовая мушка) механизма.

Примеры

Дальнейшая информация: Узоры в природе

Примеры формирования паттернов можно найти в биологии, химии, физике и математике.[1] и могут быть легко смоделированы с помощью компьютерной графики, как в свою очередь описано ниже.

Биология

Дальнейшая информация: Эволюционная биология развития и Морфогенетическое поле

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

В биология развития, формирование паттерна описывает механизм, с помощью которого первоначально эквивалентные клетки в развивающейся ткани в эмбрион принимают сложные формы и функции.[3] Эмбриогенез, Такие как плодовой мушки Дрозофила, предполагает согласованные контроль судеб клеток.[4][5][6] Формирование паттерна контролируется генетически и часто включает в себя каждую клетку в поле, чувствующую и реагирующую на свое положение вдоль морфоген градиент, за которым следует короткое расстояние от клетки к клетке через клеточная сигнализация пути для уточнения исходного рисунка. В этом контексте поле ячеек - это группа ячеек, судьба которых зависит от ответа на одни и те же заданные позиционные информационные сигналы. Эта концептуальная модель была впервые описана как Модель французского флага в 1960-е гг.[7][8] В более общем смысле, морфология организмов определяется механизмами эволюционная биология развития, Такие как изменение сроков и позиционирование определенных событий развития в эмбрионе.[9]

Возможные механизмы формирования паттернов в биологических системах включают классические реакция – диффузия модель, предложенная Алан Тьюринг[10] и недавно найденный упругая неустойчивость механизм, который, как считается, отвечает за узор сгиба на кора головного мозга высших животных, среди прочего.[11][12]

Рост колоний

Бактериальные колонии показывают большое разнообразие узоров образуется в процессе роста колонии. 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 слизевые формы демонстрируют замечательные закономерности, вызванные динамикой химических сигналов.[14]

Образцы растительности

Основная статья: узорчатая растительность
Куст тигра это узор растительности формируется в засушливых условиях.

Образцы растительности Такие как куст тигра[15] и еловые волны[16] форма по разным причинам. Куст тигра состоит из полос кустов 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 собой.[15] Напротив, пихтовые волны возникают в лесах на горных склонах после ветрового волнения, во время возобновления. 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.[16] 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.[17][18]

Химия

Дальнейшая информация: система реакция – диффузия и Паттерны Тьюринга

Формирование структур хорошо изучено в химии и химической инженерии, включая температурные и концентрационные закономерности.[19] В Брюсселятор модель разработана Илья Пригожин и сотрудники - один из таких примеров, который демонстрирует Нестабильность Тьюринга.[20] Формирование структуры в химических системах часто связано с колебательная химическая кинетика или же автокаталитические реакции[21] Такие как Реакция Белоусова – Жаботинского или же Реакция Бриггса – Раушера. В промышленных приложениях, таких как химические реакторы, формирование рисунка может привести к возникновению горячих точек, которые могут снизить выход продукции или создать опасные проблемы безопасности, такие как тепловой разгон.[22][19] Возникновение образования паттернов можно изучить с помощью математического моделирования и моделирования нижележащих слоев. реакционно-диффузионная система.[19][21]

Физика

В 80-е годы Лугиато и Лефевер разработал модель распространения света в оптическом резонаторе, которая приводит к формированию рисунка за счет использования нелинейных эффектов.

Клетки Бенара, лазер, облачные образования полосами или рулонами. Рябь в сосульках. Выкройки стиральной доски на грунтовых дорогах. Дендриты в затвердевание, жидкие кристаллы. Солитоны.

Математика

Сферические упаковки и покрытия. Математика лежит в основе других перечисленных механизмов формирования паттернов.

Дальнейшая информация: Анализ градиентного паттерна

Компьютерная графика

Узор, напоминающий реакция – диффузия модель, созданная с использованием резкости и размытия
Дальнейшая информация: Клеточный автомат

Некоторые виды автоматы были использованы для создания органично выглядящих текстуры для более реалистичного затенение из 3d объекты.[23][24]

Популярный плагин Photoshop, КПТ 6, включал фильтр под названием «реакция КПТ». Произведенная реакция реакция – диффузия шаблоны стилей на основе предоставленного исходного изображения.

Эффект, аналогичный «реакции КПТ», может быть достигнут с помощью свертка функции в цифровая обработка изображений немного терпения, неоднократно заточка и размытие изображение в графическом редакторе. Если используются другие фильтры, например тиснение или же обнаружение края можно добиться различных типов эффектов.

Компьютеры часто используются для моделировать биологические, физические или химические процессы, которые приводят к формированию рисунка, и они могут отображать результаты реалистично. Расчеты с использованием таких моделей, как реакция – диффузия или же MClone основаны на реальных математических уравнениях, разработанных учеными для моделирования изучаемых явлений.

Рекомендации

  1. ^ Бал, 2009.
  2. ^ Бал, 2009. ФормыС. 231–252.
  3. ^ Ball, 2009. Shapes, стр. 261–290.
  4. ^ Эрик С. Лай (март 2004 г.). «Передача сигналов Notch: контроль клеточной коммуникации и клеточной судьбы». Разработка. 131 (5): 965–73. Дои:10.1242 / dev.01074. PMID  14973298.
  5. ^ 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. Дои:10.1016 / j.visres.2006.08.025. PMID  17034830.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  6. ^ Ханс Мейнхард (26.10.2001). «Формирование биологического паттерна: как клетки разговаривают друг с другом, чтобы добиться воспроизводимого формирования паттерна». Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Тюбинген, Германия.
  7. ^ Вольперт Л. (октябрь 1969 г.). «Позиционная информация и пространственный образец клеточной дифференциации». J. Theor. Биол. 25 (1): 1–47. Дои:10.1016 / S0022-5193 (69) 80016-0. PMID  4390734.
  8. ^ Вольперт, Льюис; и другие. (2007). Принципы развития (3-е изд.). Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-927536-6.
  9. ^ Холл, Б. К. (2003). «Эво-Дево: механизмы эволюционного развития». Международный журнал биологии развития. 47 (7–8): 491–495. PMID  14756324.
  10. ^ С. Кондо, Т. Миура, "Реакционно-диффузионная модель как основа для понимания формирования биологического паттерна", Science 24 сентября 2010 г .: Vol. 329, Issue 5999, pp. 1616-1620 DOI: 10.1126 / science.1179047
  11. ^ Меркер, М. Бринкманн, Ф; Марчиняк-Чохра, А; Рихтер, Т. (4 мая 2016 г.). «Помимо Тьюринга: формирование механохимических паттернов в биологических тканях». Биология Директ. 11: 22. Дои:10.1186 / s13062-016-0124-7. ЧВК  4857296. PMID  27145826.
  12. ^ Tallinen et al. Nature Physics 12, 588–593 (2016) doi: 10.1038 / nphys3632
  13. ^ Бал, 2009. ветвиС. 52–59.
  14. ^ Бал, 2009. ФормыС. 149–151.
  15. ^ а б Тонгуэй, Д.Дж., Валентин, К. и Сегиери, Дж. (2001). Полосатая растительность в засушливых и полузасушливых средах. Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN  978-1461265597.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  16. ^ а б Д'Аванцо, К. (22 февраля 2004 г.). "Еловые волны: восстановление хвойных лесов Новой Англии". TIEE. Получено 26 мая 2012.
  17. ^ Мерон, Э (2019). «Формирование растительного покрова: механизмы, лежащие в основе форм». Физика сегодня. 72 (11): 30–36. Дои:10.1063 / PT.3.4340.
  18. ^ Мерон, Э (2018). «От моделей к функциям в живых системах: экосистемы засушливых земель в качестве примера». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния. 9: 79–103. Дои:10.1146 / annurev-conmatphys-033117-053959.
  19. ^ а б 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. Дои:10.1016 / j.cej.2008.08.025. ISSN  1385-8947.
  20. ^ Пригожин, И .; Nicolis, G. (1985), Hazewinkel, M .; Юркович, Р .; Пэлинк, Дж. Х. П. (ред.), "Самоорганизация в неравновесных системах: к динамике сложности", Бифуркационный анализ: принципы, приложения и синтез, Springer, Нидерланды, стр. 3–12, Дои:10.1007/978-94-009-6239-2_1, ISBN  9789400962392
  21. ^ 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). Дои:10.2202/1934-2659.1135. ISSN  1934-2659.
  22. ^ 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. Дои:10.1021 / jp049803p. ISSN  1520-6106.
  23. ^ Грег Терк, Реакция – диффузия
  24. ^ Андрей Уиткин; Майкл Касси (1991). «Реакционно-диффузионные текстуры» (PDF). Материалы 18-й ежегодной конференции по компьютерной графике и интерактивным технологиям: 299–308. Дои:10.1145/122718.122750. ISBN  0897914368.

Библиография

внешняя ссылка

  • SpiralZoom.com, образовательный сайт о науке о формировании узоров, спиралях в природе и спиралях в воображении мифов.
  • '15-строчный код Matlab', Простая 15-строчная программа Matlab для моделирования формирования двумерного рисунка для модели реакции-диффузии.