Formación de patrones

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. 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 del desarrollo evolutivo o evo-devo. Los mecanismos involucrados se ven bien en el patrón anterior-posterior de 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 de el mecanismo estándar (mosca de la fruta).

Patrones en la naturaleza

Se pueden encontrar ejemplos de formación de patrones en biología, física y ciencia, y se pueden simular fácilmente con gráficos de computadora, como se describe a continuación.

Biología

Los patrones biológicos, como las marcas de animales, la segmentación de animales y la filotaxis, se forman de diferentes maneras.

En biología del desarrollo, la formación de patrones describe el mecanismo por el cual células inicialmente equivalentes en un tejido en desarrollo en un embrión asumen formas y funciones complejas. La embriogénesis, como la de la mosca de la fruta Drosophila, implica un control coordinado de los destinos celulares. La formación de patrones está controlada genéticamente y, a menudo, involucra que cada célula en un campo detecte y responda a su posición a lo largo de un gradiente de morfógeno, seguido de una comunicación de célula a célula de corta distancia a través de vías de señalización celular 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.De manera más general, la morfología de los organismos está modelada por los mecanismos de la biología del desarrollo evolutivo, como cambiar el momento y el posicionamiento de eventos de desarrollo específicos en el embrión.

Los posibles mecanismos de formación de patrones en los sistemas biológicos incluyen el modelo clásico de reacción-difusión propuesto por Alan Turing y el mecanismo de inestabilidad elástica encontrado más recientemente que se cree que es responsable de los patrones de pliegues en la corteza cerebral de los animales superiores, entre otras cosas.

Crecimiento de colonias

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. Otros organismos, como los mohos mucilaginosos, muestran patrones notables causados ​​por la dinámica de la señalización química. La realización celular (alargamiento y adhesión) también puede tener un impacto en los patrones en desarrollo.

Patrones de vegetación

Los patrones de vegetación como el arbusto de tigre y las ondas de abeto se forman por diferentes razones. Tiger bush consiste en franjas de arbustos en laderas áridas en países como Níger, donde el crecimiento de las plantas está limitado por la lluvia. Cada franja de vegetación más o menos horizontal absorbe el agua de lluvia de la zona desnuda inmediatamente superior. Por el contrario, las ondas de abeto 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 claros 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.En terrenos planos, aparecen morfologías de patrones adicionales además de las rayas: patrones de espacios hexagonales y patrones de puntos hexagonales. En este caso, la formación de patrones está impulsada por circuitos de retroalimentación positiva entre el crecimiento de la vegetación local y el transporte de agua hacia el lugar de crecimiento.

Química

La formación de patrones ha sido bien estudiada en química e ingeniería química, incluidos los patrones de temperatura y concentración. El modelo Brusselator desarrollado por Ilya Prigogine y colaboradores es uno de esos ejemplos que exhibe inestabilidad de Turing. La formación de patrones en los sistemas químicos a menudo implica cinéticas químicas oscilatorias o reacciones autocatalíticas como la reacción de Belousov-Zhabotinsky o la reacción de Briggs-Rauscher. En aplicaciones industriales como los reactores químicos, la formación de patrones puede dar lugar a puntos calientes de temperatura que pueden reducir el rendimiento o crear problemas de seguridad peligrosos, como una fuga térmica. El surgimiento de la formación de patrones se puede estudiar mediante modelos matemáticos y simulación del sistema subyacente de reacción-difusión.

Al igual que en los sistemas químicos, se pueden desarrollar patrones en un plasma débilmente ionizado de una columna positiva de una descarga luminiscente. En tales casos, la creación y aniquilación de partículas cargadas debido a colisiones de átomos corresponde a reacciones en sistemas químicos. Los procesos correspondientes son esencialmente no lineales y conducen en un tubo de descarga a la formación de estrías con carácter regular o aleatorio.

• Reacción de Belousov-Zhabotinsky
• Anillos Liesegang
• Ondas de ionización

Física

Cuando un cuerpo plano de fluido bajo la influencia de la gravedad se calienta desde abajo, la convección de Rayleigh-Bénard puede formar celdas organizadas en hexágonos u otras formas. Estos patrones se forman en la superficie del sol y en el manto de la Tierra, así como durante procesos más peatonales. La interacción entre la rotación, la gravedad y la convección puede hacer que las atmósferas planetarias formen patrones, como se ve en el hexágono de Saturno y la Gran Mancha Roja y las franjas de Júpiter. Los mismos procesos causan formaciones ordenadas de nubes en la Tierra, como rayas y rollos.

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.

Los materiales que precipitan y se solidifican pueden cristalizar en patrones intrincados, como los que se ven en los copos de nieve y los cristales dendríticos.

Matemáticas

Empaquetaduras y cubiertas de esferas. Las matemáticas son la base de los otros mecanismos de formación de patrones enumerados.

Gráficos de computadora

Se han utilizado algunos tipos de autómatas para generar texturas de aspecto orgánico para un sombreado más realista de objetos 3D.

Un popular plugin de Photoshop, KPT 6, incluía un filtro llamado 'reacción KPT'. La reacción produjo patrones de estilo de reacción-difusión basados ​​en la imagen inicial suministrada.

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, enfocando y desenfocando repetidamente una imagen en un editor de gráficos. Si se utilizan otros filtros, como relieve o detección de bordes, se pueden lograr diferentes tipos de efectos.

Las computadoras a menudo se usan 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 reacción-difusión o MClone se basan en las ecuaciones matemáticas reales diseñadas por los científicos para modelar los fenómenos estudiados.