La ciencia de la formación de patrones se ocupa de los resultados visibles ( 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 está explorando en la ciencia de la biología evolutiva del desarrollo o evo-devo. Los mecanismos involucrados se ven bien en la formación de patrones anteroposteriores de embriones del organismo modelo Drosophila melanogaster (una mosca de la fruta), uno de los primeros organismos en tener su morfogénesis estudiada, y en las manchas oculares de las mariposas, cuyo desarrollo es una variante del mecanismo estándar (mosca de la fruta).
Se pueden encontrar ejemplos de formación de patrones en biología, física y ciencia, [1] y se pueden simular fácilmente con gráficos de computadora, como se describe a continuación.
Los patrones biológicos como las marcas 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 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 de los destinos celulares . [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 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 por la respuesta a las mismas señales de información posicional establecidas. Este modelo conceptual se describió por primera vez como el modelo de la 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 el cambio del momento y el posicionamiento 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 descubierto más recientemente , que se cree que es responsable de los patrones de pliegues en la corteza cerebral de animales superiores, entre otras cosas. [11] [12]
Las colonias bacterianas presentan una gran variedad de patrones formados durante su crecimiento. 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 , presentan patrones notables causados por la dinámica de la señalización química. [14] La incorporación celular (elongación 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 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 superior. [16] En contraste, las ondas de abeto se producen en bosques en laderas de montaña después de una perturbación del viento, durante la regeneración. Cuando los árboles caen, los árboles que habían protegido quedan expuestos y, a su vez, tienen más probabilidades de sufrir daños, por lo que los huecos tienden a expandirse a sotavento. Mientras tanto, en el lado 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 franjas: patrones de huecos hexagonales y patrones de puntos hexagonales. La formación de patrones en este caso está impulsada por bucles 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, incluyendo patrones de temperatura y concentración. [20] El modelo Brusselator desarrollado por Ilya Prigogine y colaboradores es un ejemplo de inestabilidad de Turing . [21] La formación de patrones en sistemas químicos a menudo involucra 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 un descontrol térmico . [23] [20] La aparición de la formación de patrones puede estudiarse mediante modelado matemático y simulación del sistema de reacción-difusión subyacente . [20] [22]
De manera similar a lo que ocurre en los sistemas químicos, en un plasma débilmente ionizado de una columna positiva de una descarga luminiscente pueden formarse patrones. 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 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 pedestres. 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 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 cristalizarse en patrones intrincados, como los que se observan en los copos de nieve y los cristales dendríticos .
Empaquetamientos y recubrimientos de esferas. Las matemáticas son la base de los demás mecanismos de formación de patrones enumerados.
Se han utilizado algunos tipos de autómatas para generar texturas de aspecto orgánico para un sombreado más realista de objetos 3D . [26] [27]
Un popular complemento de Photoshop, KPT 6 , incluía un filtro llamado "Reacción KPT". Reacción producía patrones de estilo de reacción-difusión basados en la imagen semilla 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 el de relieve o detección de bordes , se pueden lograr diferentes tipos de efectos.
Los ordenadores 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 forma realista. Los cálculos que utilizan modelos como el de reacción-difusión o el MClone se basan en las ecuaciones matemáticas reales diseñadas por los científicos para modelar los fenómenos estudiados.
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