형태 발생 연구의 화학적 기반 (Chemical Basis of morphogenesis) 4190.408 인공지능 2006년 봄학기 형태 발생 연구의 화학적 기반 (Chemical Basis of morphogenesis) 유 병 길 2006년 3월 30일

개 요 I. 논문 배경 2. Turing의 Morphogenesis 연구 3. 컴퓨터 과학과 형태 발생 연구 개 요 I. 논문 배경 2. Turing의 Morphogenesis 연구 3. 컴퓨터 과학과 형태 발생 연구 4. Reaction-diffusion equations 5. 결 론

논문 배경 형태발생 (Morphogenesis) 이란? How did the Zebra get its stripes?

DNA -> mRNA -> Protein -> ?

형태발생 (Morphogenesis) Morphogenesis (from the Greek morphê shape and genesis creation) is one of three fundamental aspects of developmental biology along with the control of cell growth and cellular differentiation. Morphogenesis is concerned with the shapes of tissues, organs and entire organisms and the positions of the various specialized cell types.

컴퓨터 과학과 형태 발생 연구 Thinking Machine Complex System

튜링의 형태 발생 모델 Blastulation. 1 - morula, 2 - blastula. 1 - blastula, 2 - gastrula; orange - ectoderm, red - endoderm.

Activator-inhibitor 모델 (출처: Johansson) A generates more of itself and activates B B inhibits formation of A A and B diffuses at different rates

Reaction-diffusion equations Reaction-diffusion equations (출처: Shi, 2004) U(x,t) V(x,t) 는 서로 상호작용을 하고 반응하는 두 화학물질의 밀도함수(density function)에 해당한다.

Snake pictures (stripe patterns)

Spotted body and striped tail Genet (left), Giraffe (right)

Natural Patterns of cos(kx) cos(x): Valais goat (single color: f(x)=1, a lot of examples)

Cos(2x): Galloway belted Cow

cos(2x): Giant Panda

Other related researches Patterns of sea shells Patterns of tropical fishes phyllotaxis

관련 연구 동향 개량연구 검증되지 않은 가정들이 많기 때문 튜링의 화학적 모델이 일반적인 세포의 환경과 상이하다는 사실을 들어 다른 원인을 찾음. 가르시아(N. Garcia)와 오시포브(V.V. Osipov)의 연구

위치 정보 설을 이용하여 형태형성을 설명하는 실험 관련 연구 동향 (2) 생체의 재생이나 수복을 연구하거나 위치 정보 설을 이용하여 형태형성을 설명하는 실험 생체 각 부위의 세포는 그 위치를 나타내는 좌표를 가지고 있으며 재생이나 수복은 좌표의 연속성과 삽입세포수의 최소성의 원리에 따라 실행된다고 보는 것. 르네 톰(Rene Thom)은 생물을 여러 가지 인자 (Parameter)를 가진 동적시스템(Dynamical system) 으로 보고, 여기에 카타스트로피 이론(Catastrophe Theory) 을 적용하여 형태 형성을 설명하고 있다고 함.

결 론 형태의 발생이라는 복잡계에 대한 다양한 연구로 언젠가는 수정란에서 발생하여 한 생명체가 탄생하듯 결 론 형태의 발생이라는 복잡계에 대한 다양한 연구로 언젠가는 수정란에서 발생하여 한 생명체가 탄생하듯 물리적으로나 논리적으로나 컴퓨터도 생명체와 같이 스스로 자라날 수 있는 가능성 단순화했던 가정들을 하나 둘씩 제거하면서 더욱 현실에 맞는 생명체 모사 필요 중요하지만 간과했던 부분에 대한 자각 필요

참 고 자 료 Johansson, P. Patterns in Nature: Related to Software Design Patterns, from http://www.ida.liu.se/~uweas/Lectures/DesignPatterns01/johansson-patterns-in-nature.ppt Shi, J. (2004). Pattern Formations in Math Biology, from www.resnet.wm.edu/~jxshix/Mathbiology-1.ppt Turing, A.M. (1952). The Chemical Basis of Morphogenesis, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, Volume 237, Issue 641, pp. 37-72 Wikipedia. Gastrula, from http://en.wikipedia.org/wiki/Gastrula