Formación de patrones

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 un 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 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 al mismo conjunto de señales de información posicional. Este modelo conceptual fue descrito 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 evolutiva , como el cambio del momento y el posicionamiento de eventos de desarrollo específicos en el embrión. ^{[ 9 ]}

Entre los posibles mecanismos de formación de patrones en sistemas biológicos se incluyen el modelo clásico de reacción-difusión propuesto por Alan Turing ^{[ 10 ]} y el mecanismo de inestabilidad elástica, descubierto más recientemente, que se cree responsable de los patrones de pliegues en la corteza cerebral de animales superiores, entre otras cosas. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Se han propuesto modelos de autómatas celulares y redes neuronales para explicar los patrones en algunas conchas de moluscos marinos, como las del género Conus . ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

Patrones de vegetación

Los patrones de vegetación como el arbusto tigre ^{[ 20 ]} y las ondas de abeto ^{[ 21 ]} 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. ^{[ 20 ]} En cambio, las ondas de abeto se producen en bosques de laderas montañosas tras una perturbación eólica, durante la regeneración. Cuando los árboles caen, los que habían protegido quedan expuestos y, a su vez, son más propensos a sufrir daños, por lo que los claros tienden a expandirse a sotavento. Mientras tanto, en el lado de barlovento, crecen árboles jóvenes, protegidos por la sombra del viento de los árboles altos restantes. ^{[ 21 ]} En terrenos llanos, aparecen morfologías de patrones adicionales además de las franjas: patrones de huecos hexagonales y patrones de manchas 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. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

La formación de patrones se ha estudiado ampliamente en química e ingeniería química, incluyendo patrones de temperatura y concentración. ^{[ 24 ]} El modelo Brusselator desarrollado por Ilya Prigogine y colaboradores es un ejemplo que exhibe inestabilidad de Turing . ^{[ 25 ]} La formación de patrones en sistemas químicos a menudo implica cinética química oscilatoria o reacciones autocatalíticas ^{[ 26 ]} como las reacciones de Belousov-Zhabotinsky o Briggs-Rauscher . En aplicaciones industriales como reactores químicos, la formación de patrones puede generar puntos calientes de temperatura, lo que puede reducir el rendimiento o crear problemas de seguridad peligrosos como un descontrol térmico . ^{[ 27 ] [ 24 ]} La aparición de la formación de patrones se puede estudiar mediante el modelado matemático y la simulación del sistema de reacción-difusión subyacente . ^{[ 24 ] [ 26 ]}

De forma similar a como ocurre en los sistemas químicos, pueden desarrollarse patrones en un plasma débilmente ionizado de una columna positiva de una descarga luminiscente. En estos casos, la creación y aniquilación de partículas cargadas debido a las colisiones de átomos corresponde a reacciones en sistemas químicos. Los procesos correspondientes son esencialmente no lineales y dan lugar, en un tubo de descarga, a la formación de estrías de carácter regular o aleatorio. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Otros patrones químicos incluyen los anillos de Liesegang .

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 comunes. La interacción entre la rotación, la gravedad y la convección puede provocar la formación de patrones en las atmósferas planetarias, como se observa en el hexágono de Saturno y en la Gran Mancha Roja y las franjas de Júpiter . Los mismos procesos dan lugar a 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 se solidifican pueden cristalizar en patrones intrincados, como los que se observan en los copos de nieve y los cristales dendríticos .

Empaquetamientos y recubrimientos de esferas. Las matemáticas subyacen a los demás mecanismos de formación de patrones mencionados.

Algunos tipos de autómatas se han utilizado para generar texturas de aspecto orgánico para un sombreado más realista de objetos 3D . ^{[ 30 ] [ 31 ]}

Un popular complemento de Photoshop, KPT 6 , incluía un filtro llamado "Reacción KPT". Este filtro generaba patrones de reacción-difusión basados ​​en la imagen semilla proporcionada.

Un efecto similar al de la reacción KPT se puede lograr con funciones de convolución en el procesamiento digital de imágenes , con un poco de paciencia, al enfocar y desenfocar repetidamente una imagen en un editor gráfico. Si se utilizan otros filtros, como el de relieve o la detección de bordes , se pueden obtener diferentes tipos de efectos.

Las computadoras se utilizan con frecuencia para simular los procesos biológicos, físicos o químicos que dan lugar a la formación de patrones, y pueden mostrar los resultados de forma realista. Los cálculos que emplean modelos como reacción-difusión o MClone se basan en las ecuaciones matemáticas reales diseñadas por los científicos para modelar los fenómenos estudiados.