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La ciencia de la formación de patrones se ocupa de los resultados visibles ( estadísticamente ) ordenados de la autoorganización y los principios comunes detrás de patrones similares en la naturaleza .
En biología del desarrollo , la formación de patrones se refiere a la generación de organizaciones complejas de destinos celulares en el espacio y el tiempo. La formación de patrones está controlada por genes . El papel de los genes en la formación de patrones es un aspecto de la morfogénesis , la creación de diversas anatomías a partir de genes similares, que ahora se explora en la ciencia de la biología evolutiva del desarrollo o evo-devo. Los mecanismos involucrados se ven bien en el patrón anteroposterior de los embriones del organismo modelo Drosophila melanogaster (una mosca de la fruta), uno de los primeros organismos en estudiar su morfogénesis y en las manchas oculares. de las mariposas, cuyo desarrollo es una variante del mecanismo estándar (mosca de la fruta).
Ejemplos [ editar ]
Se pueden encontrar ejemplos de formación de patrones en biología, química, física y matemáticas, [1] y se pueden simular fácilmente con gráficos por computadora, como se describe a continuación.
Biología [ editar ]
Los patrones biológicos como las marcas de los animales , la segmentación de los animales y la filotaxis se forman de diferentes maneras. [2]
En biología del desarrollo , la formación de patrones describe el mecanismo por el cual las células inicialmente equivalentes en un tejido en desarrollo en un embrión asumen formas y funciones complejas. [3] La embriogénesis , como la de la mosca de la fruta Drosophila , implica un control coordinado del destino celular . [4] [5] [6] La formación de patrones está genéticamente controlada y, a menudo, involucra a cada célula en un campo que detecta y responde a su posición a lo largo de un gradiente de morfógeno , seguido de una comunicación de célula a célula a corta distancia a través de la señalización celular.vías para refinar el patrón inicial. En este contexto, un campo de células es el grupo de células cuyos destinos se ven afectados al responder a las mismas señales de información posicional establecidas. Este modelo conceptual se describió por primera vez como el modelo de bandera francesa en la década de 1960. [7] [8] De manera más general, la morfología de los organismos está modelada por los mecanismos de la biología del desarrollo evolutivo , como cambiar el tiempo y la posición de eventos específicos del desarrollo en el embrión. [9]
Los posibles mecanismos de formación de patrones en sistemas biológicos incluyen el modelo clásico de reacción-difusión propuesto por Alan Turing [10] y el mecanismo de inestabilidad elástica encontrado más recientemente que se cree que es responsable de los patrones de pliegue en la corteza cerebral de animales superiores, entre otros. cosas. [11] [12]
Crecimiento de colonias [ editar ]
Las colonias bacterianas muestran una gran variedad de patrones formados durante el crecimiento de la colonia. Las formas resultantes dependen de las condiciones de crecimiento. En particular, las tensiones (dureza del medio de cultivo, falta de nutrientes, etc.) aumentan la complejidad de los patrones resultantes. [13] Otros organismos, como los mohos limosos, muestran patrones notables causados por la dinámica de la señalización química. [14] La realización celular (elongación y adhesión) también puede tener un impacto en los patrones de desarrollo. [15]
Patrones de vegetación [ editar ]
Los patrones de vegetación como el arbusto tigre [16] y las ondas de abeto [17] se forman por diferentes razones. El arbusto de tigre consiste en franjas de arbustos en laderas áridas en países como Níger, donde el crecimiento de las plantas está limitado por las lluvias. Cada franja de vegetación aproximadamente horizontal absorbe el agua de lluvia de la zona desnuda inmediatamente por encima de ella. [16] En contraste, las olas de abetos ocurren en los bosques en las laderas de las montañas después de la perturbación del viento, durante la regeneración. Cuando los árboles caen, los árboles que habían protegido quedan expuestos y, a su vez, es más probable que se dañen, por lo que los huecos tienden a expandirse a favor del viento. Mientras tanto, en el lado de barlovento, crecen árboles jóvenes, protegidos por la sombra del viento de los árboles altos restantes. [17]En terrenos planos aparecen morfologías de patrones adicionales además de las rayas: patrones de huecos hexagonales y patrones de puntos hexagonales. La formación de patrones en este caso es impulsada por ciclos de retroalimentación positiva entre el crecimiento de la vegetación local y el transporte de agua hacia el lugar de crecimiento. [18] [19]
Química [ editar ]
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La formación de patrones ha sido bien estudiada en química e ingeniería química, incluidos los patrones de temperatura y concentración. [20] El modelo Brusselator desarrollado por Ilya Prigogine y colaboradores es un ejemplo que muestra la inestabilidad de Turing . [21] La formación de patrones en los sistemas químicos a menudo implica una cinética química oscilatoria o reacciones autocatalíticas [22] como la reacción de Belousov-Zhabotinsky o la reacción de Briggs-Rauscher.. En aplicaciones industriales, como reactores químicos, la formación de patrones puede conducir a puntos calientes de temperatura que pueden reducir el rendimiento o crear problemas de seguridad peligrosos, como una fuga térmica . [23] [20] La aparición de la formación de patrones puede estudiarse mediante modelos matemáticos y simulación del sistema de reacción-difusión subyacente . [20] [22]
- Reacción de Belousov-Zhabotinsky
- Anillos Liesegang
Física [ editar ]
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En la década de 1980, Lugiato y Lefever desarrollaron un modelo de propagación de la luz en una cavidad óptica que da como resultado la formación de patrones mediante la explotación de efectos no lineales.
Células de Bénard , láser , formaciones de nubes en franjas o rollos. Ondulaciones en carámbanos. Patrones de tablas de lavar en caminos de tierra. Dendritas en solidificación , cristales líquidos . Solitones .
Matemáticas [ editar ]
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Empaquetaduras y revestimientos de esferas . Las matemáticas son la base de los otros mecanismos de formación de patrones enumerados.
Gráficos por computadora [ editar ]
Se han utilizado algunos tipos de autómatas para generar texturas de aspecto orgánico para un sombreado más realista de objetos 3D . [24] [25]
Un popular complemento de Photoshop, KPT 6 , incluía un filtro llamado 'reacción KPT'. La reacción produjo patrones de estilo de reacción-difusión basados en la imagen de semilla proporcionada.
Se puede lograr un efecto similar a la 'reacción KPT' con funciones de convolución en el procesamiento de imágenes digitales , con un poco de paciencia, afilando y difuminando repetidamente una imagen en un editor de gráficos. Si se utilizan otros filtros, como el relieve o la detección de bordes , se pueden lograr diferentes tipos de efectos.
Las computadoras se utilizan a menudo para simular los procesos biológicos, físicos o químicos que conducen a la formación de patrones, y pueden mostrar los resultados de una manera realista. Los cálculos que utilizan modelos como la reacción-difusión o MClone se basan en las ecuaciones matemáticas reales diseñadas por los científicos para modelar los fenómenos estudiados.
Referencias [ editar ]
- ↑ Ball, 2009.
- ^ Ball, 2009. Formas , págs. 231-252.
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Bibliografía [ editar ]
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Enlaces externos [ editar ]
- SpiralZoom.com , un sitio web educativo sobre la ciencia de la formación de patrones, espirales en la naturaleza y espirales en la imaginación mítica.
- 'Código Matlab de 15 líneas ' , un programa Matlab simple de 15 líneas para simular la formación de patrones 2D para el modelo de reacción-difusión.
