تشكيل الأنماط

تتشكل الأنماط البيولوجية مثل علامات الحيوانات ، وتقسيم الحيوانات، والترتيب الورقي بطرق مختلفة. ^{[ 2 ]}

في علم الأحياء النمائي، يصف تكوين الأنماط الآلية التي من خلالها تتخذ الخلايا المتكافئة مبدئيًا في نسيج نامٍ في الجنين أشكالًا ووظائف معقدة. ^{[ 3 ]} تتضمن عملية تكوين الأجنة ، كما في ذبابة الفاكهة (دروسوفيلا) ، تحكمًا منسقًا في مصائر الخلايا . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} يخضع تكوين الأنماط للتحكم الجيني، وغالبًا ما يتضمن استشعار كل خلية في حقل ما لموقعها على طول تدرج المورفوجين والاستجابة له ، يليه تواصل قصير المدى بين الخلايا عبر مسارات إشارات الخلايا لتحسين النمط الأولي. في هذا السياق، يُقصد بحقل الخلايا مجموعة الخلايا التي تتأثر مصائرها بالاستجابة لنفس مجموعة إشارات المعلومات الموضعية. وُصف هذا النموذج المفاهيمي لأول مرة بنموذج العلم الفرنسي في ستينيات القرن العشرين. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وبشكل عام، يتشكل شكل الكائنات الحية من خلال آليات علم الأحياء النمائي التطوري ، مثل تغيير توقيت وموقع أحداث نمائية محددة في الجنين. ^{[ 9 ]}

تشمل الآليات المحتملة لتكوين الأنماط في الأنظمة البيولوجية نموذج التفاعل والانتشار الكلاسيكي الذي اقترحه آلان تورينج ^{[ 10 ]} ، وآلية عدم الاستقرار المرن التي اكتُشفت مؤخرًا، والتي يُعتقد أنها مسؤولة عن أنماط الطيات على القشرة الدماغية للحيوانات العليا، من بين أمور أخرى. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وقد اقتُرحت نماذج الأوتوماتا الخلوية والشبكات العصبية لتفسير الأنماط الموجودة على أصداف بعض الرخويات البحرية، مثل أصداف جنس كونوس . ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

أنماط الغطاء النباتي

تتشكل أنماط نباتية مثل نمط شجيرات النمر ^{[ 20 ]} ونمط أمواج التنوب ^{[ 21 ]} لأسباب مختلفة. يتكون نمط شجيرات النمر من شرائط من الشجيرات على المنحدرات القاحلة في بلدان مثل النيجر ، حيث يحدّ هطول الأمطار من نمو النباتات. يمتص كل شريط نباتي أفقي تقريبًا مياه الأمطار من المنطقة الجرداء التي تعلوه مباشرةً. ^{[ 20 ]} في المقابل، تحدث أمواج التنوب في الغابات على سفوح الجبال بعد اضطراب الرياح، أثناء التجدد. عندما تسقط الأشجار، تنكشف الأشجار التي كانت تحميها، وبالتالي تصبح أكثر عرضة للتلف، لذا تميل الفجوات إلى التوسع في اتجاه الريح. في الوقت نفسه، تنمو الأشجار الصغيرة على الجانب المواجه للريح، محمية بظل الرياح للأشجار الطويلة المتبقية. ^{[ 21 ]} في الأراضي المسطحة، تظهر أشكال مورفولوجية إضافية إلى جانب الشرائط - أنماط الفجوات السداسية وأنماط البقع السداسية. يتشكل النمط في هذه الحالة بفعل حلقات التغذية الراجعة الإيجابية بين نمو الغطاء النباتي المحلي ونقل المياه نحو موقع النمو. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

لقد حظي تكوين الأنماط بدراسة مستفيضة في الكيمياء والهندسة الكيميائية، بما في ذلك أنماط درجة الحرارة والتركيز. ^{[ 24 ]} يُعد نموذج بروسيلاتور ، الذي طوره إيليا بريغوجين وزملاؤه، مثالًا على ذلك، إذ يُظهر عدم استقرار تورينغ . ^{[ 25 ]} غالبًا ما ينطوي تكوين الأنماط في الأنظمة الكيميائية على حركية كيميائية تذبذبية أو تفاعلات ذاتية التحفيز ^{[ 26 ]} مثل تفاعلات بيلوسوف-جابوتينسكي أو بريغز-راوشر . في التطبيقات الصناعية، كالمفاعلات الكيميائية، قد يؤدي تكوين الأنماط إلى ظهور بؤر ساخنة، مما قد يُقلل من الإنتاجية أو يُسبب مشاكل خطيرة تتعلق بالسلامة، مثل الهروب الحراري . ^{[ 27 ] [ 24 ]} يمكن دراسة ظهور تكوين الأنماط من خلال النمذجة الرياضية ومحاكاة نظام التفاعل والانتشار الأساسي . ^{[ 24 ] [ 26 ]}

على غرار الأنظمة الكيميائية، يمكن أن تتشكل أنماط في بلازما ضعيفة التأين لعمود موجب في تفريغ متوهج. في مثل هذه الحالات، يتوافق توليد الجسيمات المشحونة وفناؤها نتيجة تصادم الذرات مع التفاعلات في الأنظمة الكيميائية. وتكون العمليات المقابلة غير خطية في جوهرها، وتؤدي في أنبوب التفريغ إلى تكوين خطوط ذات طابع منتظم أو عشوائي. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

وتشمل الأنماط الكيميائية الأخرى حلقات ليزيجانغ .

عندما يسخن جسم مستوٍ من السوائل تحت تأثير الجاذبية من الأسفل، يمكن أن تُشكّل تيارات رايلي-بينارد خلايا مُنظّمة على شكل سداسيات أو أشكال أخرى. تتشكّل هذه الأنماط على سطح الشمس وفي وشاح الأرض ، وكذلك خلال عمليات أكثر اعتيادية. يُمكن أن يُؤدي التفاعل بين الدوران والجاذبية والتيارات الحرارية إلى تشكّل أنماط في الغلاف الجوي للكواكب، كما هو الحال في الشكل السداسي لكوكب زحل والبقعة الحمراء العظيمة وخطوط كوكب المشتري . وتُسبّب العمليات نفسها تشكّلات سحابية مُنتظمة على الأرض، مثل الخطوط واللفائف .

في ثمانينيات القرن العشرين، قام لوجياتو وليفير بتطوير نموذج لانتشار الضوء في تجويف بصري ينتج عنه تشكيل نمط من خلال استغلال التأثيرات غير الخطية.

يمكن للمواد المترسبة والمتصلبة أن تتبلور في أنماط معقدة، مثل تلك التي تُرى في رقاقات الثلج والبلورات الشجرية .

التعبئة والتغطية الكروية. الرياضيات هي الأساس لآليات تشكيل الأنماط الأخرى المذكورة.

استُخدمت بعض أنواع الآلات لتوليد أنسجة ذات مظهر عضوي من أجل تظليل أكثر واقعية للأجسام ثلاثية الأبعاد . ^{[ 30 ] [ 31 ]}

تضمنت إضافة KPT 6 الشهيرة لبرنامج فوتوشوب فلترًا يسمى "KPT reaction". ينتج هذا الفلتر أنماطًا تفاعلية-انتشارية بناءً على الصورة الأولية المُقدمة.

يمكن تحقيق تأثير مشابه لتفاعل KPT باستخدام دوال الالتفاف في معالجة الصور الرقمية ، مع قليل من الصبر، من خلال تكرار عملية التوضيح والتشويش في برنامج تحرير الرسومات. وإذا تم استخدام مرشحات أخرى، مثل مرشح النقش أو كشف الحواف ، فيمكن الحصول على أنواع مختلفة من التأثيرات.

تُستخدم الحواسيب غالبًا لمحاكاة العمليات البيولوجية أو الفيزيائية أو الكيميائية التي تؤدي إلى تكوين الأنماط، ويمكنها عرض النتائج بطريقة واقعية. وتستند الحسابات باستخدام نماذج مثل نموذج التفاعل والانتشار أو نموذج MClone إلى المعادلات الرياضية الفعلية التي صممها العلماء لنمذجة الظواهر المدروسة.