Formação de padrão - Pattern formation
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A ciência da formação de padrões lida com os resultados visíveis e ( estatisticamente ) ordenados da auto-organização e os princípios comuns por trás de padrões semelhantes na natureza .
Na biologia do desenvolvimento , a formação de padrões refere-se à geração de organizações complexas de destinos de células no espaço e no tempo. O papel dos genes na formação de padrões é um aspecto da morfogênese , a criação de diversas anatomias a partir de genes semelhantes, agora sendo explorados na ciência da biologia evolutiva do desenvolvimento ou evo-devo. Os mecanismos envolvidos são bem observados na padronização ântero-posterior de embriões do organismo modelo Drosophila melanogaster (mosca da fruta), um dos primeiros organismos a ter sua morfogênese estudada, e nas manchas oculares de borboletas, cujo desenvolvimento é uma variante de o mecanismo padrão (mosca da fruta).
Padrões na natureza
Exemplos de formação de padrão podem ser encontrados em biologia, física e ciência e podem ser facilmente simulados com computação gráfica, conforme descrito abaixo.
Biologia
Padrões biológicos como marcações de animais, segmentação de animais e filotaxia são formados de maneiras diferentes.
Na biologia do desenvolvimento , a formação de padrões descreve o mecanismo pelo qual células inicialmente equivalentes em um tecido em desenvolvimento em um embrião assumem formas e funções complexas. A embriogênese , como a da mosca da fruta Drosophila , envolve o controle coordenado do destino celular . A formação de padrões é controlada geneticamente e frequentemente envolve cada célula em um campo detectando e respondendo à sua posição ao longo de um gradiente de morfogênio , seguido por comunicação célula a célula de curta distância por meio de vias de sinalização celular para refinar o padrão inicial. Nesse contexto, um campo de células é o grupo de células cujos destinos são afetados pela resposta ao mesmo conjunto de pistas de informação posicional. Este modelo conceitual foi descrito pela primeira vez como o modelo da bandeira francesa na década de 1960. De maneira mais geral, a morfologia dos organismos é padronizada pelos mecanismos da biologia evolutiva do desenvolvimento , como a mudança do tempo e do posicionamento de eventos específicos de desenvolvimento no embrião.
Os possíveis mecanismos de formação de padrões em sistemas biológicos incluem o modelo clássico de reação-difusão proposto por Alan Turing e o mecanismo de instabilidade elástica encontrado mais recentemente , que se acredita ser responsável pelos padrões de dobras no córtex cerebral de animais superiores, entre outras coisas.
Crescimento de colônias
As colônias bacterianas mostram uma grande variedade de padrões formados durante o crescimento da colônia. As formas resultantes dependem das condições de crescimento. Em particular, as tensões (dureza do meio de cultura, falta de nutrientes, etc.) aumentam a complexidade dos padrões resultantes. Outros organismos, como os fungos viscosos, exibem padrões notáveis causados pela dinâmica da sinalização química. A modalidade celular (alongamento e adesão) também pode ter um impacto nos padrões de desenvolvimento.
Padrões de vegetação
Os padrões de vegetação , como o arbusto do tigre e as ondas do abeto, se formam por diferentes razões. Tiger bush consiste em faixas de arbustos em encostas áridas em países como o Níger, onde o crescimento das plantas é limitado pela chuva. Cada faixa aproximadamente horizontal de vegetação absorve a água da chuva da zona nua imediatamente acima dela. Em contraste, as ondas de abeto ocorrem nas florestas nas encostas das montanhas após a perturbação do vento, durante a regeneração. Quando as árvores caem, as árvores que elas protegiam ficam expostas e, por sua vez, têm maior probabilidade de serem danificadas, de modo que as lacunas tendem a se expandir a favor do vento. Enquanto isso, a barlavento, crescem árvores jovens, protegidas pela sombra do vento das árvores altas restantes. Em terrenos planos, morfologias de padrão adicionais aparecem além das listras - padrões de lacunas hexagonais e padrões de pontos hexagonais. A formação de padrões, neste caso, é impulsionada por ciclos de feedback positivo entre o crescimento da vegetação local e o transporte de água em direção ao local de crescimento.
Química
A formação de padrões tem sido bem estudada em química e engenharia química, incluindo padrões de temperatura e concentração. O modelo Brusselator desenvolvido por Ilya Prigogine e colaboradores é um exemplo que exibe instabilidade de Turing . A formação de padrões em sistemas químicos frequentemente envolve cinética química oscilatória ou reações autocatalíticas , como a reação de Belousov-Zhabotinsky ou a reação de Briggs-Rauscher . Em aplicações industriais, como reatores químicos, a formação de padrões pode levar a pontos quentes de temperatura que podem reduzir o rendimento ou criar problemas de segurança perigosos, como fuga térmica . O surgimento da formação de padrões pode ser estudado por modelagem matemática e simulação do sistema de reação-difusão subjacente .
Física
Quando um corpo plano de fluido sob a influência da gravidade é aquecido por baixo, a convecção de Rayleigh-Bénard pode formar células organizadas em hexágonos ou outras formas. Esses padrões se formam na superfície do sol e no manto da Terra , bem como durante processos mais pedestres. A interação entre rotação, gravidade e convecção pode fazer com que as atmosferas planetárias formem padrões, como pode ser visto no hexágono de Saturno e na Grande Mancha Vermelha e listras de Júpiter . Os mesmos processos causam formações de nuvens ordenadas na Terra, como listras e rolos .
Na década de 1980, Lugiato e Lefever desenvolveram um modelo de propagação de luz em uma cavidade óptica que resulta na formação de padrões pela exploração de efeitos não lineares.
Os materiais que precipitam e solidificam podem se cristalizar em padrões intrincados, como aqueles vistos em flocos de neve e cristais dendríticos .
Matemática
Empanques e coberturas de esfera . A matemática é a base dos outros mecanismos de formação de padrões listados.
Gráficos de computador
Alguns tipos de autômatos foram usados para gerar texturas de aparência orgânica para sombreamento mais realista de objetos 3D .
Um popular plugin do Photoshop, KPT 6 , incluía um filtro chamado 'reação KPT'. A reação produziu padrões de estilo de difusão de reação com base na imagem de semente fornecida.
Um efeito semelhante à 'reação KPT' pode ser obtido com funções de convolução no processamento de imagem digital , com um pouco de paciência, aumentando a nitidez e desfocando repetidamente uma imagem em um editor gráfico. Se outros filtros forem usados, como alto - relevo ou detecção de bordas , diferentes tipos de efeitos podem ser obtidos.
Os computadores são frequentemente usados para simular os processos biológicos, físicos ou químicos que levam à formação de padrões e podem exibir os resultados de forma realista. Cálculos usando modelos como reação-difusão ou MClone são baseados nas equações matemáticas reais projetadas pelos cientistas para modelar os fenômenos estudados.
Referências
Bibliografia
- Ball, Philip (2009). Padrões da natureza: uma tapeçaria em três partes. 1: Formas. 2: Fluxo. 3: Ramos . Oxford. ISBN 978-0199604869.
links externos
- SpiralZoom.com , um site educacional sobre a ciência da formação de padrões, espirais na natureza e espirais na imaginação mítica.
- 'Código Matlab de 15 linhas' , um programa Matlab simples de 15 linhas para simular a formação de padrões 2D para o modelo de reação-difusão.