Метод сіток Безьє – д'Арсі-Томпсона в реконструкції морфогенезу і абіогенезу: елементарна біоміметична модель.
DOI:
https://doi.org/10.26641/1997-9665.2011.3.5-23Ключові слова:
біологічна морфологія, комп'ютерний інжиніринг біоміметичних структур, реконструкція морфогенезуАнотація
У цій роботі запропонована нова модифікація прийнятих в біологічній морфології методів візуалізації, що базується на нових типах елементів і сіток. Показана її придатність не лише в порівняно-морфологічних і еволюційно-систематичних, але і в абіогенетичних дослідженнях. Запропоновано підхід детермінованих або спрямованих трансформацій сітки, що дозволяє контролювати результат процесу по його тренду. Зроблено перехід від суто геометричного («CAD») моделювання до «CAE» - аналізу структури деформуючих факторів. Запропоновано метод реєстрації деформацій сітки для подальшого її накладення при комп'ютерному інжинірингу біоміметичних структур. Показані обмеження методу теорії трансформацій д'Арсі-Томпсона по дискретизації і скейлінгу вихідного сигналу. Створена система гель-документації для реакційно-дифузійних процесів, що імітують морфогенез, в частково впорядкованих середовищах, що виводить результат на ПК для 3D-візуалізації збуреної трансформаційної сітки. З використанням цього методу показана наявність нелінійних імпульсів, хвиль і потоків в активному середовищі при фотоіндукованій збірці штучних клітин. На базі методів комп'ютерної оптики розроблена методика прогнозування ймовірних деформацій найпростіших штучних клітин.
Посилання
Ахмедиев Н. Диссипативные солитоны в комплексном уравнении Гинзбурга-Ландау и уравнении Свифта-Хоенберга / Н. Ахмедиев, А. Анкевич // Диссипативные солитоны. – М. : Физматлит, 2008. – C. 26-44.
Ахмедиев Н. Н. Солитоны. Нелинейные импульсы и пучки / Н. Н. Ахмедиев, А. Анкевич. – М. : Физматлит, 2003. – 304 с.
Болховитинов А. С. Моделирование репродукции искусственных клеток / А. С. Болховитинов, А. Г. Верховцев, О. В. Градов // Математическая морфология. – 2010. – T .9, № 1. – C. 31.
Болховитинов А. С. Сигнал и шум в морфологии биомиметиков при фотоиндуцированной самоорганизации среды / А. С. Болховитинов, О. В. Градов // Математическая морфология. – 2010. – T. 9, № 3. – С. 41.
Павлинов И. Я. Принципы и методы геометрической морфометрии / И. Я. Павлинов, Н. Г. Микешина // Журнал общей биологии. – 2002. – T. 63, № 6. – C. 473-493.
Розен Р. Принцип оптимальности в биологии / Р.Розен. – М. : Мир, 1969. – C. 100-107.
Abiogenic synthesis of oligopeptides in solid state under action of vacuum ultraviolet light (100–200 nm) / M. B. Simakov, E. A. Kuzicheva, I. L. Mal'ko, N. Ya. Dodonova // Advances in Space Res. – 1996. – Vol. 18, № 12. – P. 61-64.
Abiotic formation of amino acids and imidazol by proton simulated primitive Earth atmosphere / K. Kobayashi, M. Tsuchiya, T. Oshima, H. Yanagawa // Origins Life Evol. Biosphere. – 1990. - Vol. 20. – P. 99-109.
Adams D. C. Geometric morphometrics: ten years of progress following the ‘revolution’ / D. C. Adams, F. J. Rohlf, D. E. Slice // Ital. J. Zool. – 2004. - Vol. 71. - P. 5-16.
Adrain J. M. Fossils, phylogeny and form: an analytical approach / J. M. Adrain, G. D. Edgecombe, B. S. Lieberman // Topics in Geobiology. – N. Y. : Plenum Publisher, 2001. – 402 p.
Aubin D. Forms of explanation in the catastrophe theory of Rene Tom: topology, morphogenesis and structuralism / D. Aubin // Growing explanations: historical perspective on recent science. – Durham : Duke University Press, 2004. – P. 95-130.
Bensaude-Vincent B. Biomimetic chemistry and syntheyic biology: a two-way traffic across the borders / B. Bensaude-Vincent // Int. J. For Philosophy of Chemistry. – 2009. – Vol. 15, № 1. – P. 31-46.
Bogatyrev N. R. TRIZ evoluion trends in biological and technical design strategy / N. R. Bogatyrev, O. A. Bogatyreva // Proc. Of 19th CIPR Design conference. – Cranfield University, 2009. – P. 293-299.
Bookstein F. L. Principial warps: thin-plate splines and the decomposition of deformations / F. L. Bookstein // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. – 1989. – Vol. 11, № 6. – P. 567-585.
Chang T. M. S. Semipermeable aqueous microcapsules («artificial cells»): with emphaosis on experiment in an extracorporeal shunt system / T. M. S. Сhang // Trans. Americ. Soc. Artific. Org. – 1966. – Vol. 12. – P. 13-19.
d’Arcy Thompson W. On growth and form / W. d’Arcy Thompson. – N.Y. : Dover Publishing, 1992. – 1116 p.
DiLibery J. Application of D’Arcy Thompson’s coordinate transformation approach to clinical genetics photographs using image processing techniques / J. DiLibery // J. Med. Genet. – 1991. - Vol. 28. – P. 472-476.
Dunn G. A. Aligment of fibroblasts on grooved surfaces described by a simple geometric transformation / G. A. Dunn, A. F. Brown // J. Cell Sci. – 1986. - Vol. 83. – P. 313-340.
Feng-Hsiang H. The influence of mechanical loads on the form of a growing elastic body : thesis / H. Feng-Hsiang. – Houston, 1965. – 40 p.
Fondom J. W. Molecular origins of rapid and continuous morphological evolution / J. W. Fondom, H. R. Garner // PNAS. – 2004. – Vol. 101, № 52. – P. 18058-18063.
Formation of bioorganic compounds in planetary atmosphere by cosmic radiation / K. Kobayashi, T. Kaneko, M. Tsuchiya [et al.] // Adv. Space Res. – 1995. - Vol. 15. – P. 127-130.
Fratzl P. Biomimetic materials research: what can we really learn from nature’s structural materials? / P. Fratzl // J. R. Soc. Interface. – 2007. – Vol. 4. – P. 637-642.
Garzon L. Radioactive as signification energy source in prebiotic synthesis / L. Garzon, M. L. Garzon // Origins Life Evol. Biosphere. – 2001. – Vol. 31, № 1-2. – P. 3-13.
Gordon R. Mechanics in embrogenesis and embrionics: prime mover or epiphenomenon? / R. Gordon // Int. J. Develop. Bol. – 2006. – Vol. 50. – P. 245-253.
Gradov O. V. Photoinduced biomimetic self-oscillatory processes in biopolymer-immobilized silver halides / O. V. Gradov, M. A. Gradova // Reaction Kinetics in Condensed Matter – 10 : international conf. – 2010. – P. 118-119.
Grenander U. A Pattern-theoretic characterization of biological growth / U. Grenander, A. Srivastava, S. Saini // IEEE Transactions on Medical Imaging. – 2007. – Vol. 26, № 2. – P. 648-659.
Inorganic biomimetics for clinical hematology / O. V. Gradov, M. A. Gradova, S. Rybakov, S. J. Chon // Med. & Health Sci. J. – 2010. – Vol. 2. – P. 10–17.
Jones B. Computer imagery: imitation and representation of realities / B. Jones // Comp. Art in Cont. Suppl. Issue J. Leonardo. – 1989. – P. 31-38.
Jonsdottir K. Y. Gaussian radial growth. Image / K. Y. Jonsdottir, E. B. V. Jensen // Anal. Stereol. – 2005. – Vol. 24. – P. 117-126.
Ladoux B. Cells guided on their journey / B. Ladoux // Nat. Phys. – 2009. - Vol. 5. – P. 377-378.
Lee K. CAD/CAM/CAE Systems / K. Lee. - Addison-Wesley, 1999. – 159 p.
Loy A. Morphometrics and theriology homage to Marco Corti / A. Loy // Hystrix It. J. Mamm. – 2007. – Vol. 18, № 2. – P. 115-136.
Macia J. Protocel self-reproduction in a spatially extended metabolism-vesicle system / J. Macia, R. V. Sole // J. Theor. Biol. – 2007. – Vol. 245, № 3. – P. 400-410.
Macia J. Synthetic turing protocells: vesicle self-reproduction through symmetry-breaking instabilities / J. Macia, R. V. Sole // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. – 2007. – Vol. 362. – P. 1821-1829.
Maini P. K. Morphogenesis, Biological / P. K. Maini // Encyclopedia of Nonlinear Science. – N. Y. : Taylor & Francis Group, 2005. – P. 587-589.
Mayer B. Dynamics and simulation of self-reproducing micelles / B. Mayer, S. Rasmussen // Int. J. of Modern Phys. – 2000. – Vol. 11. – P. 809.
McLeod N. Morphology, shape and phylogeny / N. McLeod, Forey P. // Systematics association. – N. Y. : Taylor and Francisc, 2002. – 308 p.
Mertins D. Bioconstructivisms / D. Mertins // Dep. Papers. – 2004. – P. 360-369.
Miller S. L. Organic compound synthesis on the primitive Earth / S. L. Miller, H. C. Urey // Science. – 1959. – Vol. 130. – P. 245-251.
Ming T. Artificial cells; Biotechnology, nanomedicine, regenerative medicine, blood substituties, bioencapsulation and Cell/Steam cell therapy / T. Ming, S. Chang. – New Jersey : World Scientific, 2007. – 455 p.
Misra R. K. A new approach to the study of growth-gradient in the segment of the second pair of chelipeds of the indian freshwater prawns / R. K. Misra // INSA. – 1957. – Vol. 24, № 2. – P. 67-78.
Modular Redox-Active Inorganic Chemical Cells: iCHELLs / G. J. T. Cooper, P. J. Kitson, R. Winter [et al.] // Angewandte Chemie International Edition. – 2011 – Vol. 50, Issue 44. – P. 10373–10376.
Mogliner A. The shape of motile cells / A. Mogliner, K. Keren // Current Biology. – 2009. – Vol. 19, № 17. – P. 762-771.
Muller A. Metal-oxide based nanoobjects: reactivity, building blocks for polymeric structures and structural variety / A. Muller, S. Roy // Russ. Chem, Rev. – 2002. – Vol. 71, № 12. – P. 981.
Müller A. Multifunctional Metal Oxide based nanoobjects: spherical porous capsules/artificial cells and wheel-shaped species with unprecedented materials properties / A. Müller, S. Roy // J. Mater. Chem. – 2005. – Vol. 15. – P. 4673.
Neige P. Morphometrics of hard structures in cuttlefish / P. Neige // Life & Environment. – 2006. – Vol. 56, № 2. – P. 121-127.
Noireaux V. A vesicle bioreactor as a step toward an artificial cell assembly / V. Noireaux, A. Libchaber // PNAS. – 2004. – Vol. 101. – P. 17669-1767.
Ong L. G. G. Mu-tonics: in search of mutable tectonics. An investigation into natural systems with efficient packing & stacking strategies leading to a design methodology of an adaptive (mutable) system in architecture / L. G. G. Ong // A Thesis Pres. to the Acad. Fac. Georgia Inst. of Tech., may 2007. - 62 p.
Ozin G. A. Morphogenesis of biomineral and morphosynthethis of biomimetic forms / G. A. Ozin // Acc. Chem. Res. – 1997. – Vol. 30, № 1. – P. 17-27.
Pagona E. Interactive inities: an agent-based system / E. Pagona // Thes. Mast. Sci. in Virtual Environment. – London, 2002. – 48 p.
Perez Garcia A. Natural structures: strategies for geometyric and morphological optimization / A. Perez Garcia, F. Gomez Martinez // Evolution and trends in design, analysis and construction of shell and spatial structures : proc. of IASS sympos. – Valencia, 2009. – P. 893-906.
Ritchehy T. Problem structuring using computer-aided morphological analysis / T. Ritchehy // J. Operat.Res. Soc. – 2006. – Vol. 57. – P. 792-801.
Rosen R. Dynamical similarity and the theory of biological transformations / R. Rosen // Bull. of Math. Biology. – 1978. – Vol. 40, № 5. – P. 549-579.
Rosen R. The derivation of D’Arcy Thompson’s theory of transformations from the theory of optimal design / R. Rosen // Bulletin of Mathematical Biology. – 1962. – Vol. 24, № 3. – P. 279-290.
Scott G. L. The alternative snake – and other animals / G. L. Scott // Proc. 3rd Alve Vision Conference, 1987. – P. 341-347.
Silver D. J. The formative field / D. J. Silver // Thes. Degree M. Arch. - Houston, 1995. – 129 p.
Simonescu C. I. Originea vieti / C. I. Simonescu, F. Denes. – Bucuresti, 1983. – 120 p.
Soatto S. Deformotion. Deforming motion, shape average and the joint registration and segmentation of images / S. Soatto, A. J. Yezzi // ECCV. – 2001. – Vol. 52. – P.236-249.
Taylor C. S. Use of genetic size-scaling in evaluation of animal growth / C. S. Taylor // J. Animal Sci. – 1985. – Vol. 61. – P. 118-143.
##submission.downloads##
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2018 Morphologia
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0), яка дозволяє іншим особам вільно поширювати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи в цьому журналі.
Автори, направляючи рукопис до редакції журналу «Morphologia», погоджуються з тим, що редакції передаються права на захист і використання рукопису (переданого до редакції матеріалу, в тому числі таких об'єктів, що охороняються авторським правом, як фотографії автора, малюнки, схеми, таблиці і т.п.), в тому числі на відтворення в пресі і в мережі Інтернет; на поширення; на переклад рукопису на будь-які мови; експорту та імпорту примірників журналу зі статтею Авторів з метою поширення, доведення до загального відома. Зазначені вище права Автори передають Редакції без обмеження терміну їх дії і на території всіх країн світу без обмеження.
Автори гарантують, що вони мають виняткові права на використання матеріалів, переданих до редакції. Редактори не несуть відповідальності перед третіми особами за порушення гарантії, надані авторами. Розглянуті права передаються до редакції з моменту підписання поточної публікації для публікації. Відтворення матеріалів, опублікованих в журналі іншими особами та юридичними особами, можливе лише за згодою редакції, з обов'язковим зазначенням повної бібліографічного посилання первинної публікації. Автори залишають за собою право використовувати опублікований матеріал, його фрагменти і частини для навчальних матеріалів, усні презентації, підготовку дисертації дисертації з обов'язковою бібліографічною посиланням на оригінальну роботу. Електронна копія опублікованій статті, що завантажується з офіційного веб-сайту журналу в форматі .pdf, може бути розміщена авторами на офіційному веб-сайті їх установ, будь-яких інших офіційних ресурсах з відкритим доступом.
