Pattern forming systems coupling linear bulk diffusion to dynamically active membranes or cells

非线性系统 物理 反应扩散系统 线性化 领域(数学分析) 颂歌 扩散 有界函数 图案形成 数学分析 经典力学 数学 热力学 量子力学 遗传学 生物
作者
Daniel Gomez,Sarafa A. Iyaniwura,Frédéric Paquin-Lefebvre,Michael J. Ward
出处
期刊:Philosophical Transactions of the Royal Society A [Royal Society]
卷期号:379 (2213) 被引量:8
标识
DOI:10.1098/rsta.2020.0276
摘要

Some analytical and numerical results are presented for pattern formation properties associated with novel types of reaction-diffusion (RD) systems that involve the coupling of bulk diffusion in the interior of a multi-dimensional spatial domain to nonlinear processes that occur either on the domain boundary or within localized compartments that are confined within the domain. The class of bulk-membrane system considered herein is derived from an asymptotic analysis in the limit of small thickness of a thin domain that surrounds the bulk medium. When the bulk domain is a two-dimensional disk, a weakly nonlinear analysis is used to characterize Turing and Hopf bifurcations that can arise from the linearization around a radially symmetric, but spatially non-uniform, steady-state of the bulk-membrane system. In a singularly perturbed limit, the existence and linear stability of localized membrane-bound spike patterns is analysed for a Gierer-Meinhardt activator-inhibitor model that includes bulk coupling. Finally, the emergence of collective intracellular oscillations is studied for a class of PDE-ODE bulk-cell model in a bounded two-dimensional domain that contains spatially localized, but dynamically active, circular cells that are coupled through a linear bulk diffusion field. Applications of such coupled bulk-membrane or bulk-cell systems to some biological systems are outlined, and some open problems in this area are discussed. This article is part of the theme issue 'Recent progress and open frontiers in Turing's theory of morphogenesis'.

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