Формирование паттерна - Pattern formation
 |
| 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. 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-задней паттерна эмбрионов от модели организма дрозофилы (плодовой мушки), один из первых организмов, что его морфогенез изучены, и в глазков бабочек, развитие которых представляет собой вариант стандартный (плодовая мушка) механизм.
Узоры в природе
Примеры формирования паттернов можно найти в биологии, физике и естествознании, и их можно легко смоделировать с помощью компьютерной графики, как в свою очередь описано ниже.
Биология
Биологические закономерности, такие как маркировка животных , сегментация животных и филлотаксис , формируются по-разному.
В биологии развития формирование паттерна описывает механизм, с помощью которого первоначально эквивалентные клетки в развивающейся ткани эмбриона принимают сложные формы и функции. Эмбриогенез , такой как у плодовой мушки Drosophila , включает скоординированный контроль судьбы клеток . Формирование паттерна контролируется генетически и часто вовлекает каждую клетку в поле, воспринимающую и реагирующую на свое положение вдоль градиента морфогена , с последующим межклеточным обменом на короткие расстояния через сигнальные пути клетки для уточнения начального паттерна. 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. В более общем смысле, морфология организмов определяется механизмами эволюционной биологии развития , такими как изменение времени и положения определенных событий развития у эмбриона.
Возможные механизмы формирования паттернов в биологических системах включают классическую реакционно-диффузионную модель, предложенную Аланом Тьюрингом, и недавно обнаруженный механизм эластической нестабильности , который, как полагают, отвечает , помимо прочего, за паттерны складок в коре головного мозга высших животных.
Рост колоний
Бактериальные колонии демонстрируют большое разнообразие паттернов, формируемых 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. Другие организмы, такие как слизистые плесени, демонстрируют замечательные закономерности, вызванные динамикой химических сигналов. Клеточное воплощение (удлинение и адгезия) также может влиять на развивающиеся узоры.
Образцы растительности
Образцы растительности, такие как тигровый куст и пихтовые волны, 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. 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 зазоры имеют тенденцию расширяться с подветренной стороны. Тем временем с наветренной стороны растут молодые деревья, защищенные ветровой тенью оставшихся высоких деревьев. На плоской местности помимо полос появляются дополнительные морфологии рисунка - гексагональные рисунки с зазорами и гексагональные пятна. Формирование паттерна в этом случае происходит за счет петель положительной обратной связи между ростом местной растительности и переносом воды к месту произрастания.
Химия
Формирование структуры хорошо изучено в химии и химической инженерии, включая температурные и концентрационные закономерности. Модель Брюсселатора, разработанная Ильей Пригожиным и соавторами, является одним из таких примеров, демонстрирующих нестабильность Тьюринга . Формирование паттернов в химических системах часто связано с колебательной химической кинетикой или автокаталитическими реакциями, такими как реакция Белоусова-Жаботинского или реакция Бриггса-Раушера . В промышленных приложениях, 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 . Возникновение образования паттернов можно изучить с помощью математического моделирования и моделирования основной системы реакции-диффузии .
Физика
Когда плоское тело жидкости под действием силы тяжести нагревается снизу, конвекция Рэлея-Бенара может образовывать организованные ячейки в виде шестиугольников или других форм. Эти узоры образуются на поверхности Солнца и мантии Земли, а также во время более пешеходных процессов. Взаимодействие вращения, гравитации и конвекции может привести к планетарной атмосферы шаблонам формы, как это видно в шестиугольник Сатурна и Большого Красного Пятна и полосы 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 оптическом резонаторе, которая приводит к формированию рисунка за счет использования нелинейных эффектов.
Осажденные и затвердевающие материалы могут кристаллизоваться в виде сложных узоров, таких как снежинки и дендритные кристаллы .
Математика
Сферические упаковки и покрытия. Математика лежит в основе других перечисленных механизмов формирования паттернов.
Компьютерная графика
Некоторые типы автоматов были использованы для создания органических выглядящих текстур для более реалистичного затенения в 3d объектов .
Популярный плагин для Photoshop, KPT 6 , включает фильтр, называемый «реакция KPT». Реакция произвела образцы стиля реакции-диффузии на основе предоставленного исходного изображения.
Эффект, аналогичный «реакции КПТ», может быть достигнут с помощью функций свертки в цифровой обработке изображений , проявив немного терпения, многократно увеличивая резкость и размывая изображение 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.
использованная литература
Библиография
- Болл, Филипп (2009). Узоры природы: гобелен из трех частей. 1: Формы. 2: Поток. 3: Филиалы . Оксфорд. ISBN 978-0199604869.
внешние ссылки
- 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.