Resumen
En la naturaleza observamos una amplia variedad de colores, ritmos y formas, a toda escala y en sistemas animados e inanimados. Desde hace décadas los patrones y ritmos de la naturaleza han sido objeto de estudio y fuente de inspiración en el desarrollo tecnológico y en el bienestar del ser humano. Hoy entendemos que el diseño de los patrones de la naturaleza obedece a principios de funcionalidad y de eficiencia. En este artículo nos enfocamos en aspectos fisicoquímicos para mostrar cómo el estudio de los patrones espacio-temporales se convirtió en un área de gran interés e investigación en ciencias naturales. En particular, abordamos algunos sistemas donde la formación de patrones se explica mediante el acople entre procesos químicos y de transporte, tales como los jardines químicos, la precipitación periódica y los patrones de Turing. © 2017. Acad. Colomb. Cienc. Ex. Fis. Nat.
Citas
Al-Ghoul, M., & Eu, B. C. (1996). Hyperbolic reaction-diffusion equations and irreversible thermodynamics. Physica. 90:119-153. https://doi.org/10.1016/0167-2789(95)00231-6
Armand, M., Endres, F., MacFarlane, D. R., Ohno, H., & Scrosati, B. (2009). Ionic-liquid materials for the electrochemical challenges of the future. Nature Materials. 8: 621-629. https://doi.org/10.1038/nmat2448
Badr, L., & Epstein, I. R. (2017). Size-controlled synthesis of Cu2O nanoparticles via reaction-diffusion. Chemical Physics Letters. 669: 17-21. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2016.11.050
Bar-Cohen, Y. (2006). Biomimetics--using nature to inspire human innovation. Bioinspiration & Biomimetics. 1: 1-12. https://doi.org/10.1088/1748-3182/1/1/P01
Barge, L. M., Cardoso, S. S. S., Cartwright, J. H. E., Cooper, G. J. T., Cronin, L., De Wit, A., Thomas, N. L. (2015). From chemical gardens to chemobrionics. Chemical Reviews. 115:8652-8703. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00014
Bejan, A. (1995). Entropy Generation Minimization. New York: CRC Press. Bejan, A. (1997). Advanced Engineering Thermodynamics. New York: John Wiley & Sons.
Bejan, A., & Lorente, S. (2006). Constructal theory of generation of configuration in nature and engineering. Journal of Applied Physics. 100: 1-27. https://doi.org/10.1063/1.2221896
Bejan, A., & Marden, J. H. (2006). Unifying constructal theory for scale effects in running, swimming and flying. Journal of Experimental Biology. 209: 238-248. https://doi.org/10.1242jeb.01974
Belousov, B. P. (1959). A periodic reaction and its mechanism. Compilation of Abstracts on Radiation Medicine. 147: 1-3.
Beloussov, L. V. (2012). Morphogenesis as a macroscopic selforganizing process. BioSystems. 109: 262-279. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2012.05.003
Bensemann, I. T., Fialkowski, M., & Grzybowski, B. A. (2005). Wet Stamping of Microscale Periodic Precipitation Patterns. Journal of Physical Chemistry. 7: 2774-2778. https://doi.org10.1021/jp047885b
Blagodatski, A., Sergeev, A., Kryuchkov, M., Lopatina, Y., & Katanaev, V. L. (2015). Diverse set of Turing nanopatterns coat corneae across insect lineages. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112: 10750-10755. https://doi.org/10.1073/pnas.1505748112
Brachet, J., Denis, H., & Vitry, F. D. (1964). The effects of Actinomycin D. and Puromycin on morphogenesis in amphibian eggs and Acetabularia mediterranea. Developmental Biology. 9:398-434. https://doi.org/10.1038/199714a0
Callen, H. B. (1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (2nd ed.). New York: John Wiley & Sons.
Castets, V., Dulos, E., Boissonade, J., & De Kepper, P. (1990). Experimental evidence of a sustained standing Turing-type nonequilibrium chemical pattern. Physical Review Letters. 64: 2953-2956. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.64.2953
Chou, H. H., Nguyen, A., Chortos, A., To, J. W., Lu, C., Mei, J., Bao, Z. (2015). A chameleon-inspired stretchable electronic skin with interactive colour changing controlled by tactile sensing. Nature Communications. 6: 1-10.
Clark, I. A., Daly, C. A., Devenport, W., Alexander, W. N., Peake, N., Jaworski, J. W., & Glegg, S. (2016). Bio-inspired canopies for the reduction of roughness noise. Journal of Sound and Vibration. 385: 33-54. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2016.08.027
Coppens, M.O. (2012). A nature-inspired approach to reactor and catalysis engineering. Current Opinion in Chemical Engineering. 1: 281-289. https://doi.org/10.1016j.coche.2012.03.002
Coppens, M.-O., & Froment, G. F. (1996). Catalyst design accounting for the fractal surface morphology. The Chemical Engineering Journal and the Biochemical Engineering Journal. 64:69-76. https://doi.org/10.1016/S0923-0467(96)03105-3
Davies, J. (2013). Mechanisms of Morphogenesis. Edinburgh: Academic Press Inc.
De Groot, S. R., & Mazur, P. (1984). Non-Equilibrium Thermodynamics.New York: Dover Publications.
Dewar, R. C. (2005). Maximum entropy production and the fluctuation theorem. J Phys A: Math Gen. 38: 371-381. https://doi.org/10.1088/0305-4470/38/21/L01
Eu, B. C. (2016). Kinetic Theory of Nonequilibrium Ensembles, Irreversible Thermodynamics, and Generalized Hydrodynamics (Vol. 2). Montreal: Springer. https://doi.org/10.1007978-3-319-41147-7
George, J., & Varghese, G. (2002). Liesegang patterns:Estimation
of diffusion coefficient and a plausible justification for colloid explanation. Colloid and Polymer Science. 280:1131-1136. https://doi.org/10.1007/s00396-002-0738-4
Gierer, A., & Meinhardt, H. (1972). A theory of biological pattern formation. Kybernetik. 12: 30-39. https://doi.org/10.1007BF00289234
Goodwin, B. C., & Briere, C. (1994). Mechanics of the cytoskeleton and morphogenesis of acetabularia. International Review of Cytology. 150: 225-242. https://doi.org/10.1016S0074-7696(08)61543-0
Goodwin, B. C., & Cohen, M. H. (1969). A phase-shift model for the spatial and temporal organization of developing systems. Journal of Theoretical Biology. 25: 49-107. https://doi.org10.1016/S0022-5193(69)80017-2
Goodwin, B. C., & Pateromichelakis, S. (1979). The role of electrical fields, ions, and cortex in the morphogenesis of Acetabularia. Planta. 145: 427-435.
Goodwin, B. C., & Trainor, L. E. H. (1985). Tip and whorl morphogenesis in Acetabularia by calcium-regulated strain fields. Journal of Theoretical Biology. 117: 79-106. https://doi.org10.1016/S0022-5193(85)80165-X
Gray, P., & Scott, K. (1984). Autocatalytic in the Isothermal, Continous Stirred Tank Reactor Oscillations and Inestabilities. Chemical Engineering Science. 39: 1087-1097. https://doi.org10.1016/0009-2509(84)87017-7
Gray, P., & Scott, S. K. (1983). Autocatalytic reactions in the isothermal, continuous stirred tank reactor Isolas and other forms of multistability. Chemical Engineering Science. 39:1087-1097. https://doi.org/10.1016/0009-2509(84)87017-7
Grzybowski, B. A. (2009). Chemistry in Motion: Reaction–Diffusion Systems for Micro- and Nanotechnology.Chichester: John Wiley & Sons.
Guiu-Souto, J. (2014). Autoorganización de Estructuras de Turing en Presencia de Campos Externos. Universidad de Santiago de Compostela, Santiago de Compostela.
Guiu-Souto, J., Carballido-Landeira, J., & Muñuzuri, A. P. (2012). Characterizing topological transitions in a Turingpattern-forming reaction-diffusion system. Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 85: 1-8. https://doi.org10.1103/PhysRevE.85.056205
Guiu-Souto, J., Escala, D. M., Carballido-Landeira, J., Muñuzuri, A. P., & Martín-Ortega, E. (2012). Viscous Fingering Instabilities in Reactive Miscible Media. Numerical Methods for Hyperbolic Equations. 409.
Haemmerling, J. (1963). Nucleo-Cytoplasmic Interactions in Acetabularia and other Cells. Annual Review of Plant Physiology. 14: 65-92. https://doi.org/10.1146annurev.pp.14.060163.000433
Heisenberg, C., & Bellaiche, Y. (2013). Review Forces in Tissue Morphogenesis and Patterning. Cell. 153 (5): 948-962. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.008
Helms, M., Vattam, S. S., & Goel, A. K. (2009). Biologically inspired design: process and products. Design Studies. 30: 606-622. https://doi.org/10.1016/j.destud.2009.04.003
Henisch, H. (1991). Periodict Precipitation: A Microcomputer Analysis of Transport and Reaction Processes in Diffusion Media, with Software Development. Oxford: Pergamon Press.
Hoang, T., & Hwang, H. J. (2013). Turing instability in a general system. Nonlinear Analysis, Theory, Methods and Applications. 91: 93-113. https://doi.org/10.1016/j.na.2013.06.010
Howard, J., Grill, S. W., & Bois, J. S. (2011). Turing’s next steps: the mechanochemical basis of morphogenesis. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 12: 392-398.
Hunding, A., Kauffman, S. A., & Goodwin, B. C. (1990). Drosophila segmentation: Supercomputer simulation of prepattern hierarchy. Journal of Theoretical Biology. 145:369-384. https://doi.org/10.1016/S0022-5193(05)80116-X
Jiang, J., & Sakurai, K. (2016). Formation of Ultrathin LiesegangPatterns. Langmuir. 32: 9126-9134. https://doi.org10.1021/acs.langmuir.6b02148
Kjelstrup, S., & Bedeaux, D. (2008). Non-Equilibrium Thermodynamics of Heterogeneous Systems. Londres: World Scientific.
Lagzi, I. (2012). Controlling and engineering precipitation patterns. Langmuir. 28: 3350-3354. https://doi.org10.1021la2049025
Lebedeva, M. I., Vlachos, D. G., & Tsapatsis, M. (2004). Bifurcation analysis of Liesegang ring pattern formation. Physical Review Letters. 92: 88301. https://doi.org/10.1103PhysRevLett.92.088301
Ledesma Durán, A. (2012). Patrones de turing en sistemas biológicos.Universidad Autónoma Metropolitana, México D. F.
Leduc, S. (2010). The Mechanism of Life. New York: Rebman Company. Retrieved from http://www.gutenberg.org/files/3386233862-h/33862-h.htm#page123
Lengyel, I., & Epstein, I. R. (1992). A chemical approach to designing Turing patterns in reaction-diffusion systems. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 89: 3977-3979. https://doi.org/10.1073pnas.89.9.3977
Lexa, D., & Holba, V. (1993). Periodic precipitation of silver chromate/dichromate in gelatin. Colloid and PolymerScience. 9: 884-890.
Liesegang, R. (1896). Ueber einige Eigenschaften von Gallerten. Naturwissenschaftliche Wochenschrift, 10: 353-362.
Lucia, U. (2012). Maximum or minimum entropy generation for open systems? Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications, 391: 3392-3398. https://doi.org10.1016j.physa.2012.01.055
Magnanelli, E., Wilhelmsen, Ø., Acquarone, M., Folkow, L. P., & Kjelstrup, S. (2016). The Nasal Geometry of the Reindeer Gives Energy-Efficient Respiration. Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics, https://doi.org/10.1515/jnet-2016-0038
Maldonado, C. E. (2004). Ciencias de la complejidad: Ciencias de los cambios súbitos. Bogotá D. C.
McKeag, T. (2012). GreenBiz. Retrieved November 14, 2016, from https://www.greenbiz.com/blog/2012/10/19/how-oneengineers- birdwatching-made-japans-bullet-train-better
Müller, S. C., & Ross, J. (2003). Spatial structure formation in precipitation reactions. Journal of Physical Chemistry A. 107: 7997-8008. https://doi.org/10.1021/jp030364o
Murray, J. D. (2003a). Mathematical Biology I: An introduction (3rd editio). Berlin: Springer-Verlag.
Murray, J. D. (2003b). Mathematical Biology II: Spatial models and biomedical applications (3rd editio). Berlin: Springer-Verlag.
Nagao, R., Epstein, I., Gonzalez, E. R., & Varela, H. (2008). Temperature (over) compensation in an oscillatory surface reaction. The Journal of Physical Chemistry A. 20: 4617-4624. http://doi.org/10.1021/jp801361j
Nagao, R., Epstein, I. R., & Dolnik, M. (2013). Forcing of Turing Patterns in the Chlorine Dioxide − Iodine − Malonic Acid Reaction with Strong Visible Light. The Journal of Physical Chemistry. 117: 9120-9126. https:/doi.org/10.1021/jp4073069
Nagao, R., & Varela, H. (2016). Turing patterns in chemical systems. Química Nova, 4: 474-485. https/dx.doi.org10.59350100-4042.20160026
Nakouzi, E., & Steinbock, O. (2016). Self-organization in precipitation reactions far from the equilibrium. Science Advances, 2 (8): e1601144–e1601144. https://doi.org10.1126sciadv.1601144
Needham, J. (1935). Chemical Embryology. Annuals Reviews of Biochemistry. 4: 449-469.
Nicolis, G., & Prigogine, I. (1977). Self-Organization in Non-Equilibrium Systems. New York: John Wiley & Sons.
Nogueira, P. A., Batista, B. C., Faria, R. B., & Varela, H. (2014). The effect of temperature on the dynamics of a homogeneous oscillatory system operated in batch and under flow. RSC Advances, 4: 30412-30421. https:/doi.org/10.1039/C4RA03539A
Ohtsuka, Y., Seki, T., & Takeoka, Y. (2015). Thermally Tunable Hydrogels Displaying Angle-Independent Structural Colors. Angewandte Chemie, 127: 15588-15593. https://doi.org10.1002ange.201507503
Onsager, L. (1931). Reciprocal relations in irreversible processes I. Physical Review. 37: 405-426.
Pearson, J. E. (1993). Complex patterns in a simple system. Science (New York, N.Y.), 261: 189-92. https://doi.org10.1126science.261.5118.189
Peña Pellicer, B. (2002). Inestabilidades de Turing en Sistemas de Reacción-Difusión. Universidad de Navarra, Pamplona.
Prigogine, I. (1967). Thermodynamics of irreversible processes. Nueva York: John Wiley & Sons.
Pullela, S. R., Cristancho, D., He, P., Luo, D., Hall, K. R., & Cheng, Z. (2009). Temperature dependence of the Oregonator model for the Belousov-Zhabotinsky reaction. Physical Chemistry Chemical Physics : PCCP, 11: 4236–4243. https://doi.org10.1039b820464k
Reis, A. H. (2006). Constructal Theory: From Engineering to Physics, and How Flow Systems Develop Shape and Structure. Applied Mechanics Reviews, 59: 269. https://doi.org10.11151.2204075
Rod, V., & Vacek, V. (1986). Diffusion coefficients of potassium chromate and dichromate in water at 25°C. Collection of Czechoslovak Chemical Communications. 7: 1403-1406. https://doi.org/10.1135/cccc19861403
Rommelaere, J., & Hiernaux, J. (1975). Model for the positional differentiation of the cap in Acetabularia. BioSystems. 7:250-258. https://doi.org/10.1016/0303-2647(75)90032-5
Sandakhchiev, L. S., Puchkova, L. I., Pikalov, A. V., Khristolubova, N. B., & Kiseleva, E. V. (1972). Subcellular Localization of Morphogenetic Factors in Anucleate Acetabularia At the Stages of Genetic Information Transfer and Expression.
Biology and Radiobiology of Anucleate Systems. 297-320. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-115002-0.50019-1
Satnoianu, R. A., Menzinger, M., & Maini, P. K. (2010). Turing instabilities in general systems. Journal of Mathematical Biology.
: 493-512. https://doi.org/10.1007/s002850000056
Schwarzenberger, K., Köllner, T., Linde, H., Boeck, T., Odenbach, S., & Eckert, K. (2014). Pattern formation and mass transfer under stationary solutal Marangoni instability. Advances in Colloid and Interface Science. 206: 344-71. https://doi.org10.1016/j.cis.2013.10.003
Sel’kov, E. E. (1968). Self-Oscillations in Glycolysis 1. A Simple Kinetic Model. European Journal of Biochemistry. 4: 79-86. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1968.tb00175.x
Serna, H. (2016). Evaluación termodinámica de patrones morfogenéticos estacionarios en sistemas de reacción-difusión noisotérmicos. Universidad Nacional de Colombia, Medellín.
Serna, H., Muñuzuri, A. P., & Barragán, D. (2017). Thermodynamic and morphological characterization of Turing patterns in non-isothermal reaction–diffusion systems. Phys. Chem. Chem. Phys. 19: 14401-14411. https://doi.org10.1039C7CP00543A
Simakov, D. S. A., & Pérez-Mercader, J. (2013). Noise induced oscillations and coherence resonance in a generic model of the nonisothermal chemical oscillator. Scientific Reports. 3 (2404): 1-10. https://doi.org/10.1038/srep02404
Solomon, E. P., Berg, L. R., & Martin, D. W. (2013). Biología. México D. F.: Cengage Learning.
Strogatz, S. H. (2001). Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications To Physics, Biology, Chemistry, And Engineering. Westview Press.
Teyssier, J., Saenko, S. V., Van der Marel, D., & Milinkovitch, M. C. (2015). Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications. 6 (6368): 1-7. https://doi.org/10.1038/ncomms7368
Tropea, C., & Bleckmann, H. (2012). Nature-Inspired Fluid Mechanics. In Nature-Inspired Fluid Mechanics: Results of the DFG Priority Programme 1207 (p. 101). Springer Science & Bussines Media.
Turing, A. (1952). The Chemical Basis of Morphogenesis. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 237: 37-72.
Walish, J. J., Kang, Y., Mickiewicz, R. A., & Thomas, E. L. (2009). Bioinspired electrochemically tunable block copolymer full color pixels. Advanced Materials. 21: 3078-3081. https://doi.org10.1002/adma.200900067
Walliser, R. M., Boudoire, F., Orosz, E., Tóth, R., Braun, A., Constable, E. C., … Lagzi, I. (2015). Growth of nanoparticles and microparticles by controlled reactiondiffusion processes. Langmuir. 31: 828-1834. https://doi.org/10.1021/la504123k
Walton, B. M., & Bennet, A. F. (1993). Temperature-dependent color change in Kenyan chameleons. Physiological Zoology. 66: 270-287. https://doi.org/10.1086/physzool.66.2. 30163690
Werz, G. (1974). Fine-structural aspects of morphogenesis in Acetabularia. International Review of Cytology. 38: 319-367. https://doi.org/10.1016/S0074-7696(08)60929-8
Xia, F., & Jiang, L. (2008). Bio-inspired, smart, multiscale interfacial materials. Advanced Materials. 20: 2842-2858. https://doi.org/10.1002/adma.200800836
Yeh, H., & Wills, G. B. (1970). Diffusion coefficient of sodium nitrate in aqeous solution at 25°C as a function of concentration from 0.1 to 1.0M. Journal of Chemical and Engineering. 1:187-189. https://doi.org/10.1021/je60044a025
Zhabotinsky, A. M., & Zaikin, A. N. (1970). Concentration Wave Propagation in Two-dimensional Liquid-phase Selfoscillating System. Nature. 225: 535-537.
Declaración de originalidad y cesión de derechos de autor
Los autores declaran:
- Los datos y materiales de referencia publicados han sido debidamente identificados con sus respectivos créditos y han sido incluidos en las notas bibliográficas y citas que así se han identificado y que de ser requerido, cuento con todas las liberaciones y permisos de cualquier material con derechos de autor.
- Todo el material presentado está libre de derechos de autor y acepto plena responsabilidad legal por cualquier reclamo legal relacionado con la propiedad intelectual con derechos de autor, exonerando completamente de responsabilidad a la Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.
- Este trabajo es inédito y no será enviado a ninguna otra revista mientras se espera la decisión editorial de esta revista. Declaro que no hay ningún conflicto de intereses en este manuscrito.
- En caso de publicación de este artículo, todos los derechos de autor son transferidos a la Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, por lo que no puede ser reproducido de ninguna forma sin el permiso expreso de la misma.
- Mediante este documento, si el artículo es aceptado para publicación por la Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, la Revista asume el derecho de editar y publicar los artículos en índices o bases de datos nacionales e internacionales para académicos y uso científico en formato papel, electrónico, CD-ROM, internet ya sea del texto completo o cualquier otra forma conocida conocida o por conocer y no comercial, respetando los derechos de los autores.
Transferencia de derechos de autor
En caso de que el artículo sea aprobado para su publicación, el autor principal en representación de sí mismo y sus coautores o el autor principal y sus coautores deberán ceder los derechos de autor del artículo correspondiente a la Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, excepto en los siguientes casos:
Los autores y coautores se reservan el derecho de revisar, adaptar, preparar trabajos derivados, presentaciones orales y distribución a algunos colegas de reimpresiones de su propio trabajo publicado, si se otorga el crédito correspondiente a la Revista de la Academia Colombiana de Ciencias. Exactas, Físicas y Naturales. También está permitido publicar el título de la obra, resumen, tablas y figuras de la obra en los sitios web correspondientes de los autores o sus empleadores, dando también crédito a la Revista.
Si el trabajo se ha realizado bajo contrato, el empleador del autor tiene el derecho de revisar, adaptar, preparar trabajos derivados, reproducir o distribuir en papel el trabajo publicado, de manera segura y para uso exclusivo de sus empleados.
Si la Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales fuera solicitada por un tercero para el uso, impresión o publicación específica de artículos ya publicados, la Revista debe obtener el permiso expreso del autor y coautores de la trabajo o del empleador excepto para uso en aulas, bibliotecas o reimpreso en un trabajo colectivo. La Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales se reserva el posible uso en su portada de figuras entregadas con los manuscritos.
La Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales no puede reclamar ningún otro derecho que no sea el de autor.