Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Табиғаттағы өзін-өзі ұйымдастыру арқылы үлгілердің қалай қалыптасатынын зерттеу.
Study of how patterns form by self organization in nature
Үлгілерді қалыптастыру ғылымы өзін-өзі ұйымдастырудың көрінетін, (статистикалық) реттелген нәтижелерімен және табиғаттағы ұқсас үлгілердің артындағы ортақ принциптермен айналысады. Даму биологиясында үлгілерді қалыптастыру – кеңістік пен уақыт бойынша жасуша тағдырларының күрделі ұйымдарын жасауды білдіреді. Үлгілерді қалыптастырудағы гендердің рөлі – морфогенездің бір аспектісі болып табылады, яғни ұқсас гендерден әртүрлі анатомиялардың құрылуы, қазір эволюциялық даму биологиясы немесе эво-дево ғылымында зерттеледі. Бұл механизмдер үлгі ретінде алынатын организм – Drosophila melanogaster (жеміс шыбыны) эмбриондарының алдыңғы-артқы бөліктерінің қалыптасуында және дамуы стандартты (жеміс шыбыны) механизмінің түрі болып табылатын көбелектердің көздерінде жақсы көрінеді.
The science of pattern formation deals with the visible, (statistically) orderly outcomes of self organization and the common principles behind similar patterns in nature. In developmental biology, pattern formation refers to the generation of complex organizations of cell fates in space and time. The role of genes in pattern formation is an aspect of morphogenesis, the creation of diverse anatomies from similar genes, now being explored in the science of evolutionary developmental biology or evo devo. The mechanisms involved are well seen in the anterior posterior patterning of embryos from the model organism Drosophila melanogaster (a fruit fly), one of the first organisms to have its morphogenesis studied, and in the eyespots of butterflies, whose development is a variant of the standard (fruit fly) mechanism.
Табиғаттағы үлгілер
Үлгілердің қалыптасу мысалдары биология, физика және ғылым салаларында кездеседі, олар компьютерлік графика арқылы оңай модеделденеді, бұл туралы төменде сипатталған.
Examples of pattern formation can be found in biology, physics, and science, and can readily be simulated with computer graphics, as described in turn below.
Биология
Жануарлардың белгілері, жануарлардың сегменттері және филлотаксис сияқты биологиялық үлгілер әртүрлі жолдармен қалыптасады. Даму биологиясында үлгілердің қалыптасуы – эмбриондағы дамушы тіндердегі бастапқыда теңдес жасушалардың күрделі формалар мен функцияларды қабылдауының механизмін сипаттайды. Дрозофила жеміс шыбыңы сияқты эмбриогенез жасуша тағдырын үйлестіріп басқаруды қамтиды. Үлгілердің қалыптасуы генетикалық бақылауда болады және көбінесе әр жасушаның даладағы орнын сезінуі және морфогендік градиент бойымен жауап беруі, содан кейін бастапқы үлгіні нақтылау үшін жасушалық сигналдау жолдары арқылы жасушадан жасушаға қысқа қашықтықтағы байланыс орнатуын қамтиды. Бұл контексте жасушалар өрісі – бірдей позициялық ақпараттық сигналдарға жауап беру арқылы тағдырына әсер ететін жасушалар тобы. Бұл тұжырымдамалық модель алғаш рет 1960 жылдары француз туы моделі ретінде сипатталды. Жалпы алғанда, организмдердің морфологиясы эволюциялық даму биологиясының механизмдерімен, мысалы, эмбриондағы нақты даму оқиғаларының уақытын және орналасуын өзгерту арқылы қалыптасады. Биологиялық жүйелерде үлгілердің қалыптасуының мүмкін механизмдеріне Алан Тьюринг ұсынған классикалық реакция-диффузия моделі және жоғары сатыдағы жануарлардың ми қабығындағы бүктемелерге жауапты деп саналатын, жақында ғана табылған серпімді тұрақсыздық механизмі кіреді.
Biological patterns such as animal markings, the segmentation of animals, and phyllotaxis are formed in different ways. In developmental biology, pattern formation describes the mechanism by which initially equivalent cells in a developing tissue in an embryo assume complex forms and functions. Embryogenesis, such as of the fruit fly Drosophila, involves coordinated control of cell fates. Pattern formation is genetically controlled, and often involves each cell in a field sensing and responding to its position along a morphogen gradient, followed by short distance cell to cell communication through cell signaling pathways to refine the initial pattern. In this context, a field of cells is the group of cells whose fates are affected by responding to the same set positional information cues. This conceptual model was first described as the French flag model in the 1960s. More generally, the morphology of organisms is patterned by the mechanisms of evolutionary developmental biology, such as changing the timing and positioning of specific developmental events in the embryo. Possible mechanisms of pattern formation in biological systems include the classical reaction–diffusion model proposed by Alan Turing and the more recently found elastic instability mechanism which is thought to be responsible for the fold patterns on the cerebral cortex of higher animals, among other things.
Колониялардың өсуі
Бактериялық колониялар колония өсу кезінде қалыптасатын әртүрлі үлгілерді көрсетеді. Пайда болатын пішіндер өсу жағдайларына байланысты. Атап айтқанда, стресстер (культуралық ортаның қаттылығы, қоректік заттардың жетіспеуі сияқты) пайда болатын үлгілердің күрделілігін арттырады. Шырыш саңырауқұлақтар сияқты басқа организмдер де химиялық сигналдасу динамикасынан туындаған керемет үлгілерді көрсетеді. Жасұнғылдардың (созылуы және жабысуы) дамитын үлгілерге де әсері тиюі мүмкін.
Bacterial colonies show a large variety of patterns formed during colony growth. The resulting shapes depend on the growth conditions. In particular, stresses (hardness of the culture medium, lack of nutrients, etc.) enhance the complexity of the resulting patterns. Other organisms such as slime moulds display remarkable patterns caused by the dynamics of chemical signaling. Cellular embodiment (elongation and adhesion) can also have an impact on the developing patterns.
Өсімдіктер
Өсімдіктердің таралу үлгілері, мысалы, жолақты бұталар мен шырша толқындары әртүрлі себептермен қалыптасады. Жолақты бұталар Нигер сияқты елдердің құрғақ беткейлерінде, жауын-шашын өсімдік өсуін шектейтін жерлерде бұталардың жолақтарынан тұрады. Өсімдіктердің әрбір дерлік көлденең жолағы тікелей үстіндегі жалаңаш жерден жауын суын сіңіреді.
Vegetation patterns such as tiger bush and fir waves form for different reasons. Tiger bush consists of stripes of bushes on arid slopes in countries such as Niger where plant growth is limited by rainfall. Each roughly horizontal stripe of vegetation absorbs rainwater from the bare zone immediately above it.
Физика
Ауырлық күшінің әсерімен жазық сұйық денесі төменнен қыздырылғанда, Рейли-Бенард конвекциясы алтыбұрышты немесе басқа пішіндегі ұйымдастырылған жасушалар құрастыра алады. Осы үлгілер Күннің бетінде де, Жердің мантияснда да, сондай-ақ қарапайым процестерде де қалыптасады. Айналу, гравитация және конвекция арасындағы өзара әрекеттесу планеталық атмосфераларда үлгілердің пайда болуына себеп болуы мүмкін, мысалы Сатурнның алтыбұрышы, Ұлы Қызыл Дақ және Юпитердің жолақтарында көрінеді. Сол процестер Жердегі реттелген бұлт құрылымдарын, мысалы жолақтар мен роллдарды қалыптастырады. 1980 жылдары Лугиато және Лефевер сызықтық емес эффекттерді пайдалану арқылы үлгілердің қалыптасуына әкелетін оптикалық қуыстағы жарық таралуының моделін жасады. Жауын-шашын түсіріп, қатаңдайтын материалдар қар түйіршіктері мен дендриттік кристалдардағыдай күрделі үлгілерге кристалдануы мүмкін.
When a planar body of fluid under the influence of gravity is heated from below, Rayleigh Bénard convection can form organized cells in hexagons or other shapes. These patterns form on the surface of the Sun and in the mantle of the Earth as well as during more pedestrian processes. The interaction between rotation, gravity, and convection can cause planetary atmospheres to form patterns, as is seen in Saturn's hexagon and the Great Red Spot and stripes of Jupiter. The same processes cause ordered cloud formations on Earth, such as stripes and rolls. In the 1980s Lugiato and Lefever developed a model of light propagation in an optical cavity that results in pattern formation by the exploitation of nonlinear effects. Precipitating and solidifying materials can crystallize into intricate patterns, such as those seen in snowflakes and dendritic crystals.
Математика
Шарларды қаптау және жабу. Математика тізімделген басқа да үлгілерді қалыптастыру механизмдерінің негізінде жатыр.
Sphere packings and coverings. Mathematics underlies the other pattern formation mechanisms listed.
Компьютерлік графика
Автоматтардың кейбір түрлері 3D нысандарды шынайы көлеңкелеу үшін органикалық көрінетін текстураларды жасауға қолданылды. Photoshop-тың танымал плагині KPT 6, "KPT reaction" деп аталатын сүзгіні қамтыды. "Реакция" берілген бастапқы сурет негізінде реакция-диффузия стиліндегі үлгілерді жасады. Графикалық редакторда суретті бірнеше рет өткірлеу және жұмсарту арқылы, цифрлық бейне өңдеудегі конволюция функцияларын пайдаланып, "KPT реакциясына" ұқсас эффектке сәл шыдамдылықпен қол жеткізуге болады. Егер рельефтеу немесе жиектерді анықтау сияқты басқа сүзгілер қолданылса, әртүрлі эффекттерге қол жеткізуге болады. Компьютерлер көбінесе үлгілердің қалыптасуына себеп болатын биологиялық, физикалық немесе химиялық процестерді модельдеу үшін қолданылады және олар нәтижелерді шынайы түрде көрсетуге мүмкіндік береді. Реакция-диффузия немесе MClone сияқты модельдерді қолдана отырып жасалатын есептеулер, зерттелген құбылыстарды модельдеу үшін ғалымдар жасаған нақты математикалық теңдеулерге негізделген.
Some types of automata have been used to generate organic looking textures for more realistic shading of 3d objects. A popular Photoshop plugin, KPT 6, included a filter called 'KPT reaction'. Reaction produced reaction–diffusion style patterns based on the supplied seed image. A similar effect to the 'KPT reaction' can be achieved with convolution functions in digital image processing, with a little patience, by repeatedly sharpening and blurring an image in a graphics editor. If other filters are used, such as emboss or edge detection, different types of effects can be achieved. Computers are often used to simulate the biological, physical or chemical processes that lead to pattern formation, and they can display the results in a realistic way. Calculations using models like reaction–diffusion or MClone are based on the actual mathematical equations designed by the scientists to model the studied phenomena.