Speciation as Pattern Formation by Competition in a Smooth Fitness Landscape
本文研究了在简单生态系统中，当个体之间的竞争被包含在准种的本征模型中时，物种形成和共存的问题。通过提出菌株间的竞争与化学抑制剂在反应扩散系统中的扩散之间的类比，物种形成现象被认为是遗传空间中化学斑图形成的类似物。在突变率为零的极限下，我们解析地得到了物种形成的条件。使用不同形式的竞争相互作用，我们表明，物种形成是不存在的遗传等效的一个正常的扩散抑制剂，并存在较短的范围内的相互作用。与数值模拟的比较是非常好的。
1997-08-14 adap-org cond-mat.stat-mech nlin.AO
Pattern formation and coarsening dynamics in apparent competition models
表观竞争是物种之间的间接相互作用，这些物种共享自然资源，没有任何相互侵略，但如果有共同的敌人，则会相互产生负面影响。表观竞争的负面结果反映在物种的空间分离，这影响了他们的种群动态。执行一系列的随机模拟，我们研究了一个模型，两个猎物物种的生物不竞争空间，但共享一个共同的捕食者。我们的研究结果阐明了捕食者在模式形成和粗化动态中发挥的核心作用，在表观竞争模型。调查捕食者死亡率对物种持久性的影响，我们发现曲率驱动的缩放制度和共存的情况之间的交叉。对于低捕食者死亡率，主要由一种类型的猎物居住的空间域出现，周围的界面，主要包含捕食者。我们证明了界面网络的动力学是曲率驱动的，其粗化遵循与其他非线性系统相同的标度律。表观竞争的影响降低捕食者死亡率高，允许生物体的两个猎物物种，以共享更显着的分数的晶格。最后，我们的研究结果表明，捕食能力在单一的猎物域影响的标度幂律的粗化动力学的特点。我们的研究结果可能有助于生物学家理解具有明显竞争的系统中生物多样性的格局形成和动态。
2022-02-10 nlin.AO nlin.PS physics.bio-ph
The evolution of cooperation: an evolutionary advantage of individuals impedes the evolution of the population
范围扩张是生物系统中的一个普遍过程，因此在生物进化中起着重要作用。使用基于随机过程的定量个体方法，我们发现，增强合作者相对于背叛者的固有自我增殖优势是一个更有效的渠道，以促进合作范围扩张的演化，而不是削弱背叛者从合作者那里获得的利益。有了这种自我增殖的优势，合作者可以迅速殖民处女空间，更容易建立空间隔离，这就像一个保护盾，以进一步促进合作的演变。我们还表明，较低的细胞密度和迁移率有一个积极的影响竞争的合作者与叛逃者。生物进化是基于个体之间的竞争，因此应该有利于自私的行为。然而，我们观察到一个违反直觉的现象，即种群的进化受到个体的健身增强趋化运动的阻碍。这突出了个人利益与民众利益之间的冲突。个体的短视自私行为在种群之间的竞争中可能并不那么受欢迎。这些信息对合作的处理具有重要意义。
2022-01-14 physics.bio-ph q-bio.PE
Higher-Order Competition as a Minimal Mechanism for Spatial Pattern Diversity in Population Dynamics
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)（高级系统理解中心，德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）；ICTP South American Institute for Fundamental Research & Instituto de Física Teórica, Universidade Estadual Paulista - UNESP（国际理论物理中心南美基础研究所与理论物理研究所，圣保罗州立大学）；Department of Ecology, Institute of Biosciences, University of São Paulo（生态学系，生物科学学院，圣保罗大学）
该研究揭示仅负反馈即可产生多样空间模式，高阶竞争项促进条纹与间隙，点模式并非临界点临近的可靠指标。
2026-09-25 nlin.AO physics.bio-ph
Attractive energy and entropy or particle size: the yin and yang of physical and biological science
众所周知，热力学系统中的平衡是由降低能量和增加熵之间的竞争或平衡产生的，或者至少是温度和熵的乘积。这与道家的阴和阳的概念非常相似，阴是向下的影响，阳是向上的影响，和谐是通过平衡阴阳来建立的。熵是由于结构，这在很大程度上是由核心排斥或颗粒大小决定，而能量在很大程度上是由更长范围的吸引力相互作用决定的。在这里，这种能量和熵或颗粒大小之间的平衡是通过简单流体理论来追踪的，从安德鲁斯和范德华开始，微扰理论的后续发展，基于奥恩斯坦-泽尼克关系和平均球近似的关联函数理论，电解质，以及最近关于生物膜中离子通道的工作，其中能量和尺寸之间的竞争给出了阳离子通道选择性的直观吸引人的解释。应该研究复杂系统的模拟，包括蛋白质在水溶液中的模拟，以确定这些概念在多大程度上适用于这种情况
2009-04-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Minimal mechanisms for vegetation patterns in semiarid regions
在半干旱系统中形成规则植被格局的最低生态要求最近受到质疑。一般认为，结合促进和竞争的相互作用是必要的，最近的理论研究表明，在广泛的条件下，植物之间的非本地竞争可能会导致模式。在本文中，我们沿着这条线，提出了一系列的模型，产生的空间格局时，有限范围的竞争是唯一的驱动力。这种类型的模型从一个更详细的考虑水生物量动态的初步推导也提出。关键词：植被格局，非局部相互作用
2014-09-08 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.PE
Spatio-temporal patterns in the Hantavirus infection
我们提出了一个模型的汉坦病毒感染鹿鼠，Peromyscus maniculatus，基于生物学观察系统在北美西南部。分析结果有助于了解生物系统的相关观察结果，如感染的零星消失，以及在环境条件不佳时作为病毒储存库的疫源地或“避难所”的存在。
2002-02-11 cond-mat.stat-mech nlin.PS physics.bio-ph
Self-Organization of Mobile Populations in Cyclic Competition
失衡格局的形成是空间扩展的生物多样性生态系统的一个特征。物种的循环竞争提供了有趣的例子，正如“石头剪刀布”游戏所比喻的那样。实验和理论上，这种非传递性的相互作用已经被发现诱导自组织的静态个人到嘈杂的，不规则的集群。然而，仍然缺乏对这种模式的深刻理解和定性。在这里，我们从理论上研究了在石头剪刀布游戏中个体的移动性对空间结构的影响。我们设计了一个定量的方法来分析空间模式的随机时间演化过程中的自我形成。对于最初由May和Leonard引入的范例模型，在相互作用粒子方法中，我们证明了系统的行为-在适当的连续极限中-被一组随机偏微分方程恰当地捕获。研究表明，系统的随机动力学会导致纠缠旋转螺旋波的出现。虽然螺旋的波长和传播速度被证明是准确预测的（确定性）复杂的金斯堡-朗道方程，他们的纠缠结果从固有的随机性质的系统。这些发现和我们的方法有重要的应用，了解噪声模式的形成，例如，在生态和进化背景下，也与（生物）化学反应的动力学有关。
2008-05-28 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Theory of mechano-chemical patterning in biphasic biological tissues
自组织模式的形成是多细胞生物形态发生的关键，尽管生物斑图形成的综合理论仍然缺乏。在这里，我们提出了一个极小模型结合组织力学形态的周转和运输，以探索新的路线图案。我们积极的描述夫妇形态发生反应扩散，影响细胞分化和组织力学，一个两相多孔弹性流变学，其中一个组织相组成的多孔弹性细胞网络和其他渗透细胞外液，它提供了一个反馈，积极运输形态发生。虽然该模型包括将组织近似为惰性双相介质的先前理论，例如图灵的反应扩散模型，但由于机械诱导的交叉扩散流动，它克服了它们的一些关键限制，允许通过任何两种生物化学动力学形成斑图形成。此外，我们描述了一个定性不同的对流驱动的凯勒-西格尔不稳定性，它允许与一个单一的形态形成的模式，其基本模式模式与组织大小的规模强劲。我们讨论了组织形态发生这些发现的潜在相关性。
2019-01-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Pattern formation and front stability for a moving-boundary model of biological invasion and recession
本文研究了二维Fisher-Stefan模型中的斑图形成，该模型涉及到在紧支区域上求解Fisher-KPP方程。Fisher-Stefan模型将Fisher-KPP方程与经典Stefan理论相结合，克服了Fisher-KPP方程对生物种群的两个局限性。在这项工作中，我们调查是否二维Fisher-Stefan模型预测斑图形成，通过分析线性稳定性的平面行波解正弦横向扰动。Fisher-KPP方程的平面波前是线性稳定的。同样，我们证明了入侵平面锋（$c > 0$）的Fisher-Stefan模型是线性稳定的扰动的所有波数。然而，我们的分析表明，后退平面锋（$c < 0$）的Fisher-Stefan模型是线性不稳定的所有波数。这类似于经典Stefan问题中平面凝固的不稳定解。引入一个表面张力正则化稳定后退前短波长扰动，引起一系列的不稳定模式和最不稳定的波数。我们补充线性稳定性分析水平集数值解，证实理论结果。总的来说，前面的不稳定性的Fisher-Stefan模型提出了一个新的机制，斑图形成在后退的生物种群。
2022-07-07 physics.bio-ph
Exploring the tug of war between positive and negative interactions among savanna trees: Competition, dispersal, and protection from fire
稀树草原的特点是不连续的树层叠加在连续的草层上。确定促进这种树木-草共存的机制仍然是生态学中的一个持续挑战，被称为“稀树草原问题”。在这项工作中，我们提出了一个模型，结合了以前的稀树草原模型（卡拉布雷斯等人，2010年），其中包括树木和扩散之间的竞争性相互作用，与Drossel-Schwabl森林火灾模型，因此代表火灾在空间上明确的方式。该模型是用来探讨如何火蔓延的模式，再加上一个明确的，火灾脆弱的树木生命阶段，影响树木密度和空间格局。树木密度强烈地依赖于火灾频率和树木之间的竞争，虽然火灾频率，诱导树木之间的间接相互作用，树木和草之间，似乎是控制树木灭绝的过渡，稀树草原成为草原的关键因素。根据不同的参数，成年树木可能会排列成不同的规则或丛生模式，后者是两种不同类型（紧凑或开放）。粒度分布有厚尾，但只有在特定情况下才能达到干净的幂律行为。
2013-04-24 nlin.CG physics.bio-ph q-bio.PE
Spatial patterns in mesic savannas: the local facilitation limit and the role of demographic stochasticity
我们提出了一个模型方程的树木密度的动态在梅西奇稀树草原。它考虑了树木之间的长期竞争和火灾作为当地促进机制的影响。尽管短程便利化采取的本地范围的限制，恢复在一般植被模型中获得的空间结构的标准全谱。因此，长期竞争是发展模式的关键因素。研究了树木与草的长期共存，以及火灾对树木生存和格局维持的影响。分析了人口统计噪声的影响。随机系统，在参数约束下的典型的梅西奇稀树草原，显示出不规则的模式特征的现实情况。在合理的噪音强度下，树木和草地仍然共存。
2014-07-23 cond-mat.stat-mech nlin.PS physics.bio-ph
Measuring irreversibility from learned representations of biological patterns
本文利用深度学习从Rho-GTPase和复杂Ginzburg-Landau动力学模式中学习低维表征，并结合Ziv-Merhav估计器实现无模型的不可逆性测量，用于区分稳定与混沌动力学。
2023-09-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Unraveling biochemical spatial patterns: machine learning approaches to the inverse problem of Turing patterns
Department of Life Sciences & Centre for Integrative Systems Biology and Bioinformatics, Imperial College London（帝国理工学院生命科学与整合系统生物学及生物信息学中心）
本文提出利用机器学习方法解决Turing模式的逆问题，通过抗噪声神经网络在生物噪声环境下生成合成模式，推动生物工程和形态学研究。
2023-09-12 math.DS nlin.PS physics.bio-ph
Pattern formation under mechanical stress in active biological networks confined inside evaporating droplets
本研究利用蒸发液滴产生的剪切应力对微管-驱动蛋白活性网络施加机械刺激，观察到动态图案形成，并证明该装置可作为研究细胞骨架应力响应及无膜区室动力学的原创生物反应器。
2023-05-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modeling mechanochemical pattern formation in elastic sheets of biological matter
在开发组织和生物材料的主动形状变形的启发下，我们研究了两个通用的机械化学模型，其中薄弹性片的变形由化学信号的浓度梯度驱动，并反过来影响化学信号的浓度梯度。我们开发的数值方法来研究耦合的弹性形变和化学浓度动力学，并说明与计算不同的模式取决于壳的厚度，强度的机械化学耦合和扩散率的形成。在第一个模型中，片材曲率控制收缩性抑制剂的产生，并且取决于耦合中的阈值，发生质上不同的图案。第二个模型是基于应力-依赖活动的肌球蛋白马达，并演示了如何的浓度分布模式的分子马达的影响，由它们产生的远程变形。由于机械变形的传播通常比化学动力学（分子马达或影响马达的信号剂）更快，我们详细描述并实现了基于时间尺度分离的数值方法来有效地模拟这样的系统。我们表明，机械化学耦合导致远程传播的模式在不同的系统中，通过弹性不稳定性，即使没有扩散或平流运输的化学品。
2021-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Spatial clustering of interacting bugs: Levy flights versus Gaussian jumps
研究了一类同类个体进行二维马尔可夫连续时间随机游动并经历繁殖和死亡的生物竞争模型。竞争是通过假设的繁殖率取决于在附近的拥挤。空间动力学对应于以高斯跳跃为特征的正常扩散或以Lévy飞行为特征的超扩散。据观察，在这两种情况下，周期性的模式发生适当的参数的模型，表明一般的宏观系统的集体行为的影响更强烈的竞争的资源，而不是由类型的空间动态。然而，出现了一些差异进行了讨论。
2011-08-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Excitable dynamics driven by mechanical feedback in biological tissues
本研究提出理论框架，揭示单细胞层面拉伸激活收缩、活性元件周转失活的机械反馈可解释组织的多种活动模式，且模式转变由细胞力学响应时间尺度与组织几何无序的竞争驱动，阐明了细胞堆积几何对组织兴奋性的关键作用。
2023-10-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Equations of Motion that Recognize Biochemical Patterns
运动方程，识别生化模式的描述。该方程是一个连续多组分系统的偏微分方程，其中给出了适当的初始和边界条件。生化模式是多种生化成分的时空分布，可以看作是浓度和质量通量的连续体。识别生化模式导致方程的普遍性质，这也是数学证明，即设计的方程足以近似任意动力系统中的任何轨道，即使是在复杂的生物系统中看到的轨道。该理论也可以应用于非生物系统，其可以被视为由任何多个组分（例如液体、固体和非线性粘弹性材料）组成的连续体。
2010-03-24 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.OT
Chemical principles of instability and self-organization in reacting and diffusive systems
生物系统中的模式和结构如何从最初的同质状态经历对称性破缺和自组织是生物发展的关键问题。活化-抑制（AI）机制是生物斑图形成的基本机制，它是由反应-扩散（RD）模型发展而来的。这种机制通常需要激活剂自我增强，并且比抑制剂扩散得更慢。在这里，我们确定了生物系统的不稳定性来源，并通过求解两种化学品的广义RD模型的特征值（色散关系）推导出自组织条件。我们发现，无论是单一的AI机制与远程抑制和激活是足够的自组织成完全表达的域，而不参与的通道-抑制剂（II）机制，通过单独增强激活剂和抑制剂的自增殖率的差异或削弱它们之间的耦合程度。当交叉扩散参与时，自组织不再需要化学物质的自增强和扩散系数的差异，并且图案化机制可以扩展到半抑制剂和II机制。然而，我们发现，单一的激活剂-激活剂（AA）机制一般无法自组织，即使生物领域的增长是另外参与。此外，在AI系统之后添加II系统可以产生离散和双稳态模式。我们还观察到，较高维度的空间可以单独改变源自较低维度空间的图案原理，这可能是由于较高空间自由度驱动的不稳定性。这些结果为生物斑图形成提供了新的见解。
2022-10-29 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Spectral oscillations in backscattering of light from a biological cell
从上皮生物细胞的弹性光后向散射实验观察到的节拍样信号的可能来源进行了鉴定。拍频样信号的来源最有可能是细胞核，它是一种球形颗粒，具有光学锐边、低相对折射率和共振范围内的尺寸参数;另一个可能的来源是类似尺寸的细胞器的聚集。利用Mie理论对具有类生物核参数的电介质球进行了计算机模拟，结果表明，后向散射作为尺寸参数的函数具有类拍模式。高频周期振荡是单次散射的贡献，而多次散射事件给出缓慢变化的振荡贡献。随着对比度的增加，后向散射信号从纯正弦曲线变为拍频信号。低对比度粒子散射中的拍状图案不依赖于球体的任何特定特征;在具有尖锐光学对比度和光滑形状的星形非球形物体的散射中可以观察到类似的图案;在这种情况下，振荡的高频率取决于物体相对于入射光的取向。
2009-03-21 physics.bio-ph physics.optics
