计算机科学

虚拟植物理解真实的植物

从几何,物理和生物学的一些原则,有植物功能过程的现实主义,例如果树的照明或生长。

,和jan traas Scient for Scient n°52
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该男子依赖于植物饲料,热,构建,治疗,连衣裙等公司问题的数量是基于提高植被的生产或增长。除了传统农艺思考,在优化生产(水果,木材等),本公司今天正在质疑生态系统的演变,气候变化和可持续发展,生产生物燃料,这需要更好地了解的作用这些问题的植物。

定性地,植物的生长过程非常清楚:我们将首先提醒他们。它仍然要定量地研究,研究人员在几个学科的界面处做了什么,使用模型。在过去十年中,计算机力量的稳步增加刺激了这种方法,促进了三维计算机模型的发展,称为结构函数模型。就像显微镜就像肉眼就显示出看不见的结构一样,这些“虚拟工厂”可以探讨所涉及的生物机制的复杂性。

在表明虚拟工厂是什么之后,我们将考虑三种建模示例,代表三种类型的问题。首先,我们描述了与在给定的发育阶段考虑的空间结构有关的模型。在第二,我们描述了一种成长的植物:其结构和器官的演变。第三,我们对植物的成长感兴趣地在组织的规模和内部通信设置器官时的主要作用。

通过四肢增长

与动物不同,其生产新器官以胚胎相结合,植物在整个生活中产生新的叶子,茎和花,几个月,甚至几年。因此,该植物是一组轴,其生长结果由两种方法产生:一方面,形成新细胞和器官;另一方面,根据其位置,这些细胞的伸长和专业化。

在植物中,新细胞由位于杆和根部的末端的指定组织顶端猎肉中的细胞分裂诞生(参见图1)。叶子定期形式,围绕商品的中心,没有差异。另一方面,在开花的情况下,商品的中心与萼片,花瓣,雄蕊,雌蕊和卵巢相差而且连续地联系起来。开花标志着结束(美容!)从梅里斯塔姆的组织机构的能力。

在他们的成长过程中,植物朝光朝向光线上升,并且尽管引力。为此,在许多植物中,第二枚梅斯塞也能够产生侦察的组织,该组织可以确保茎的支撑和空气和地下器官之间的水和营养素的传导。该夹具沿轴拱起,该套房表示,二次,确保厚度增长:将部门一方面朝向轴线的内部进行,另一方面,向外,在树皮下方。

在轴线内部的方向上,共给聚机产生木耳的导电容器,水通过该导电容器通过该血管过滤到叶子和水果。 Xylem由死细胞组成,死细胞组成,其壁浸渍有符合它们的木质素。这些细胞表现得像管道,水被叶子的汗水被动地吸入。

在轴外侧的方向上,二级单位产生抑制絮凝导电组织。这种活组织的细胞正在主动运输精美的SAP,将糖从叶片带到其他器官。

对于这两种生长过程,初级和中学,增加了分支通过生产所谓的腋生分配的能力,因为安排在叶子的腋窝上。腋下树枝的排列从一个植物变化到另一个植物并导致各种高音形式。在浓密的植物中,长树枝在载体树枝的底部生长,而在高树中,长树枝在分支载体的顶部生长。

什么是虚拟工厂?

虚拟工厂是由浸入三维空间中的几何形状表示的一组器官(参见图2)。最常见的是,这些器官彼此相互连接并参考BOTANY定义:夹带,叶子,生长单元,分支机构,杆或树干。当这台计算机描述包括外观时,那么Organs的演变,它代表了一种种植的植物。

虚拟器官的几何形式从最简单到最精细的:纸张的多边形,用于树干的圆柱,用于分支段的锥体,弯曲分支的参数曲线,由点定义。控制和挤出以考虑分支的厚度,或许多植物形状的不对称包络。这些几何形式的两个或三个尺寸布置在植物占据的空间中,以便再现器官的空间分布。

器官之间的连接定义了所谓的植物拓扑,并反映了植物的任何组成部分是从另一个组成的组织中产生的,被称为父母。这些拓扑关系是两种类型。当父母组织构成终端销售器 - 位于母体器官的末尾 - 连接是一个连续关系:所以扎根的连续形成一个分支。当父母组织产生腋窝器官 - 位于任何叶子的叶柄的底部 - 连接是分支关系。正式代表树丛(参见框)的关系。

最后,可以在整个植物壳体中以几个细节级别定义虚拟工厂,直到所有分支段的描述和构成它的所有纸张(见图3)。当相同的虚拟工厂包含不同的描述尺度时,据说是多尺度的。

除了这些几何和拓扑特性之外,物理性质的器官,例如光学性质,或生物学性质,例如生物化学组成或对环境信号的生理反应(空气或土壤的干燥,归因于生化组合物。光,温度等)。

虚拟设备可以通过仿真从实际植物测量或模型构成。它们用于不同的目的。首先是可视化植物的三维结构,用于infographic或生物学应用。第二个是模拟物理现象或生理过程。第三是代表植物的生长和发展,作用于器官的状态和几何特性并添加新器官。

所有计算都是可能的,但它仍有待知道并以数学形式表示确定生物机制。根据所研究的过程的性质,需要不同程度的假设,并导致更多或更少推测或可测试的模型。

每种水果的阳光

 

在给定阶段,植物的几何形状会影响其操作。特别地,空气和地下器官的空间排列影响了工厂的能力捕获其新陈代谢的必要资源。作为返回,环境,特别是小纤维,模块植物的空间结构及其生理特性。

这些互动机制的知识被农艺学家和林业利用,以改善生产。因此,树木家变换了果树的冠,以更好地分布水果,确保更大的照明均匀性,从而减少质量参数的可变性,例如口径和糖含量。生产者通过消除位于不利地区的水果来选择果实部位,从而减少树叶的密度,树木的尺寸控制他们的翅膀,每年都会得到果实枝条。

使用虚拟树木使得可以模拟果树上的光线分布。我们甚至是我们知道评估树冠的几百个果实枝条的照明的唯一方法:在树中安装足够数量的光传感器是不可取的,以获得详尽的和精确的措施。

数字车型根据不同的计划和良好的辐射物理原则依赖于工厂的几何投影技术。一种简单的方法包括生产虚拟工厂的图像,就像太阳以来被观察到的那样:太阳看到的器官正是那些晴天的器官。通过根据太阳种族改变视线,我们在白天重建了照明的演变。

我们使用这种方法来欣赏各种管理树架构管理的影响。以这种方式,已经确认了桃子的开放系统的有效性。此外,可以表明新方法的相关性,例如在苹果树的中心中实现天窗。

目前我们正在与其他研究人员一起学习一个在特定阶段的虚拟植物上的器官温度模型。影响大多数生物反应的组织的温度是巨大的:例如,器官生长的生长或二氧化碳的发射,以及抗争血或蘑菇或蘑菇或昆虫的抗击。

tree

通过开发,植物不断地产生新的器官,从而产生复杂的结构。环境条件能够强烈影响这种结构,因此波动波动和难以预测。虚拟工厂的使用使我们能够更好地了解在增长过程中所涉及的不同流程及其对结构整体发展的各自贡献的互动。

让我们把我们的榜样放在果树上,以说明这种复杂性。每个人都知道果树的分支在果实的重量下弯曲,但是预测这种现象的强度是非常困难的。它可能取决于腋窝枝的数量及其倾斜度,增加木材的直径和机械性能,在果实收获时分支的反应。但是每种影响对屈曲的贡献是什么?一些研究团队根据物理学的假设解决了这些问题,并将生活在所谓的生物力学模型中的现实基础上解决。在我们的方法中,通过给定分支携带的枝条分布的统计和动态模型来描述增长过程。然后,该模型耦合到其自身电荷下的分支的机械屈曲模型,并在果实的负载下(见图4)。

从概念的角度来看,增长模型说明了对形态发生研究的新出现的特别重要模型。系统的演化的数学形式化传统上是作为动态系统理论的一部分进行的。一种动态系统由表示其状态的变量和反映控制该状态的演变的法律的等式。在许多动态系统中,描述状态更改值的变量,但无性。

在植物的发展的情况下,每个器官的特征在于一种状态(其大小,其形式,其在植物中的情况,其碳储量,其水状况等)和植物的状态。是由其器官的州的结构化集。在增长期间,不仅是表征每个器官改变状态的变量,而且新器官被添加到现有结构中,而其他器官则消失,这会破坏植物状态的结构。因此,它被认为是一种植物作为动态动态系统的演变的生长,这是在我们的术语中收到的系统(DS)2 这需要开发用于分析,表示和仿真的新工具。

我们(DS)的演变模型2 依靠休息系统的更一般形式主义(见框)。例如,它允许模拟逐步模拟植物结构的分支统计模型的演变。然后,了解所分支结构的新拓扑构象和木轴的机械性能,基于力学规律计算分支系统的新几何构象。

由于这种模拟,现在已经量化了轴的初始几何形状的效果,在轴的形状上呈现轴的初始几何形状的效果,分支和果实(沿载体轴的位置和位置)。这一短期工作的目标之一是通过适应基因型的维持方式(大小等)优化人类干预措施。在长期内,将更好地控制不同遗传起源的树木的发展。

在放大镜的Méloistems

在以前的模型中,公司被认为是黑匣子,因为我们到目前为止还有有限的了解他们的详细操作。由于在过去十年中分子和细胞生物学的进展,现在可以分析治理营养组织的生长的生理和遗传过程。在形成组织中,细胞生长,相互作用,交换分子。通过显微镜和荧光标记的分子,我们不仅会定量大量的空间参数,例如细胞大小,生长速率,划分计划,而且还识别在这些相同细胞的某个点处表达的基因。

成千上万种植的细胞,数以千计的基因表达:如何整合这些数据?如何从这些观察中得出结论?建模方法已成为必不可少的方法,世界各地的几个团队在这一领域开始工作。

例如,我们已经建模了植物拟南芥内部模型中的植物细胞交换的信号,并管理茎顶部的不同器官的创建。最着名的是叫做毒素的激素的运输,负责细胞生长。该传输的负载蛋白通常在电池的一侧定位(参见图5),并且几个相邻的单元经常在同一侧佩戴这些载体。我们推导过荷尔蒙流过这些细胞的流动。当存在大群细胞时,这种情况变得更加困难,例如构成销售的表面的细胞。

为了澄清这种情况,我们承诺将该运输网络模拟了销售的表面。通过沿相同方向定向的箭头在网络上向网络中显示来自一个电池的运输蛋白质的存在。木质植物金实际上被注入到该网络中,并且观察到它累积的地方。由于它是可预测的,“虚拟激素”积累在分算子的细胞中,其中大量蜂窝载体似乎点。更令人惊讶的是在销售的顶部或在销售器的位置似乎没有作为个人指定的地方的其他地方的外观。生物化学实验使我们能够通过表明梅里斯塔姆含有高浓度的无氧浓度来确认这些预测。这些结果通过模型和实验之间的来回实现,导致我们通过公司来修改我们对器官的理解,并提出新的解释。

我们仍远未了解植物的所有成长在其组织的范围内:细胞形成三维元素,交换信号和资源,在空间的所有尺寸中相互作用。要考虑这种复杂性,我们需要新的数学和计算机工具。这些将更好地了解蔬菜形状在基因的控制下如何发展并与环境相互作用。

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