La ciencia de la formación de patrones se ocupa de los resultados visibles y ( estadísticamente ) ordenados de la autoorganización y de 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 evolutiva del desarrollo o evo-devo. Los mecanismos implicados se ven bien en el patrón anteroposterior de embriones del organismo modelo Drosophila melanogaster (una mosca de la fruta), uno de los primeros organismos en los que se estudió su morfogénesis, y en las manchas oculares de las mariposas, cuyo desarrollo es una variante de el mecanismo estándar (mosca de la fruta).
Se pueden encontrar ejemplos de formación de patrones en biología, física y ciencia, [1] y pueden simularse fácilmente con gráficos por computadora, como se describe a continuación.
Los patrones biológicos como las marcas de animales , la segmentación de 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 el control coordinado del destino celular . [4] [5] [6] La formación de patrones está controlada genéticamente y, a menudo, implica que cada célula en un campo detecte y responda a su posición a lo largo de un gradiente morfógeno , seguido de una comunicación de célula a célula a 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 cuyo destino se ve afectado al responder al mismo conjunto de señales de información posicional. Este modelo conceptual fue descrito por primera vez como el modelo de la bandera francesa en los años 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 momento y la posición de eventos de desarrollo específicos 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]
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 mucilaginosos, muestran patrones notables causados por la dinámica de la señalización química. [14] La encarnación celular (alargamiento y adhesión) también puede tener un impacto en los patrones en desarrollo. [15]
Los patrones de vegetación como el arbusto tigre [16] y las ondas de abeto [17] se forman por diferentes razones. El arbusto del tigre consiste en franjas de arbustos en laderas áridas en países como Níger , donde el crecimiento de las plantas está limitado por las precipitaciones. Cada franja de vegetación aproximadamente horizontal absorbe el agua de lluvia de la zona desnuda inmediatamente encima de ella. [16] Por el contrario, las ondas de abeto se producen en los bosques de las laderas de las montañas después de una 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 sufran daños, 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. [17] En terrenos planos aparecen morfologías de patrones adicionales además de las rayas: patrones de espacios hexagonales y patrones de manchas 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. [18] [19]
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 sus colaboradores es un ejemplo que muestra la inestabilidad de Turing . [21] La formación de patrones en sistemas químicos a menudo implica 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 provocar 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 se puede estudiar mediante modelado matemático y simulación del sistema de reacción-difusión subyacente . [20] [22]
Al igual que en los sistemas químicos, se pueden desarrollar patrones en un plasma débilmente ionizado de una columna positiva de una descarga luminosa. 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 el tubo de descarga a la formación de estrías de carácter regular o aleatorio. [24] [25]
Cuando un cuerpo plano de fluido bajo la influencia de la gravedad se calienta desde abajo, la convección de Rayleigh-Bénard puede formar células 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 provocan formaciones de nubes ordenadas en la Tierra, como franjas 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 solidifican pueden cristalizar en patrones intrincados, como los que se ven en los copos de nieve y los cristales dendríticos .
Empaquetaduras y revestimientos de esferas. Las matemáticas son la base de los otros mecanismos de formación de patrones enumerados.
Se han utilizado algunos tipos de autómatas para generar texturas de aspecto orgánico para obtener sombreados más realistas de objetos 3D . [26] [27]
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, 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 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 manera realista. Los cálculos que utilizan modelos como reacción-difusión o MClone se basan en ecuaciones matemáticas reales diseñadas por los científicos para modelar los fenómenos estudiados.
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