Interfacial depinning transitions in disordered media: revisiting an old puzzle

Interfaces advancing through random media represent a number of different problems in physics, biology and other disciplines. Here, we study the pinning/depinning transition of the prototypical non-equilibrium interfacial model, i.e. the Kardar-Parisi-Zhang equation, advancing in a disordered medium. We analyze separately the cases of positive and negative non-linearity coefficients, which are believed to exhibit qualitatively different behavior: the positive case shows a continuous transition that can be related to directed-percolation-depinning while in the negative case there is a discontinuous transition and faceted interfaces appear. Some studies have argued from different perspectives that both cases share the same universal behavior. Here, by using a number of computational and scaling techniques we shed light on this puzzling situation and conclude that the two cases are intrinsically different.Comment: 13 pages, 9 figure

Estudio computacional de la dinámica del crecimiento celular: buscando el comportamiento universal

En este trabajo se propuso un modelo de crecimiento celular, el cual considera tanto la proliferación como la difusión. A través de experimentos in silico del modelo propuesto, se estudió la dinámica de la interfaz del cultivo creciendo, obteniéndose que ésta pertenece a la clase de universalidad Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) (exponente de rugosidad: α = 0,48(3), α = 0,46(4) y α = 0,51(4), para diferentes valores de la probabilidad de crecimiento; exponente de crecimiento: β = 0,32(3)). Los resultados obtenidos concuerdan con datos experimentales de cultivos in vitro realizados por otros autores. Además, para analizar la velocidad de la interfaz y los perfiles de ocupación de las células, se realizó una comparación de los resultados de los experimentos in silico del modelo con una aproximación de campo medio de una ecuación maestra. Una vez comprendido el comportamiento del modelo, se aplica una modificación, incorporando un ruido congelado en la matriz de crecimiento. Se estudia nuevamente su dinámica de crecimiento y se concluye que para bajos valores de ruido, la dinámica de la interfaz sigue perteneciendo a la clase de universalidad KPZ. A medida que el ruido toma relevancia, la velocidad de la interfaz va disminuyendo hasta que finalmente, en cierto valor crítico, la interfaz se congela experimentando una transición de fase de segundo orden. El exponente del parámetro de orden obtenido es θ = 0, 20(2). En el punto crítico, se verificó que el término no lineal de la ecuación KPZ tiende a cero, obteniendose los exponentes α = 1,03(4) y β = 0,81(3), pertenecientes a la clase de universalidad Edwards-Wilkinson congelado (QEW). En forma complementaria, se estudió la resolución numérica de la ecuación KPZ con ruido congelado para ciertos valores controversiales del término no lineal, es decir λ < 0 y λ = 0.Facultad de Ciencias Exacta

Pinning-depinning transition in a stochastic growth model for the evolution of cell colony fronts in a disordered medium

We study a stochastic lattice model for cell colony growth, which takes into account proliferation, diffusion, and rotation of cells, in a culture medium with quenched disorder. The medium is composed both by sites that inhibit any possible change in the internal state of the cells, representing the disorder, as well as by active medium sites, that do not interfere with the cell dynamics. By means of Monte Carlo simulations we find that the velocity of the growing interface, which is taken as the order parameter of the model, strongly depends on the density of active medium sites ($ho_A$). In fact, the model presents a (continuous) second-order pinning-depinning transition at a certain critical value of $ho_A^{crit}$, such as for $ho_A>ho_A^{crit}$ the interface moves freely across the disordered medium, but for $ho_AFil: Moglia, Belén. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; Argentina. Fundación Centro de Medicina Nuclear y Molecular Entre Ríos. Departamento de Física Médica; ArgentinaFil: Albano, Ezequiel Vicente. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; ArgentinaFil: Guisoni, Nara Cristina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; Argentin

Interfacial properties in a discrete model for tumor growth

We propose and study, by means of Monte Carlo numerical simulations, a minimal discrete model for avascular tumor growth, which can also be applied for the description of cell cultures in vitro. The interface of the tumor is self-affine and its width can be characterized by the following exponents: (i) the growth exponent β = 0.32 ( 2 ) that governs the early time regime, (ii) the roughness exponent α = 0.49 ( 2 ) related to the fluctuations in the stationary regime, and (iii) the dynamic exponent z = α / β ≃ 1.49 ( 2 ) , which measures the propagation of correlations in the direction parallel to the interface, e.g., ξ ∝ t 1 / z , where ξ is the parallel correlation length. Therefore, the interface belongs to the Kardar-Parisi-Zhang universality class, in agreement with recent experiments of cell cultures in vitro. Furthermore, density profiles of the growing cells are rationalized in terms of traveling waves that are solutions of the Fisher-Kolmogorov equation. In this way, we achieved excellent agreement between the simulation results of the discrete model and the continuous description of the growth front of the culture or tumor.Instituto de Física de Líquidos y Sistemas BiológicosConsejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnica

Pinning-depinning transition in a stochastic growth model for the evolution of cell colony fronts in a disordered medium

We study a stochastic lattice model for cell colony growth, which takes into account proliferation, diffusion, and rotation of cells, in a culture medium with quenched disorder. The medium is composed both by sites that inhibit any possible change in the internal state of the cells, representing the disorder, as well as by active medium sites, that do not interfere with the cell dynamics. By means of Monte Carlo simulations we find that the velocity of the growing interface, which is taken as the order parameter of the model, strongly depends on the density of active medium sites (ρA). In fact, the model presents a (continuous) second-order pinning-depinning transition at a certain critical value of ρ crit A , such as for ρA &gt; ρcritcrit A the interface becomes irreversible pinned by the disorder. By determining the relevant critical exponents, our study reveals that within the depinned phase the interface can be rationalized in terms of the Kardar-Parisi-Zhang universality class, but when approaching the critical threshold, the non-linear term of the Kardar-Parisi-Zhang equation tends to vanish and then the pinned interface belongs to the quenched Edwards-Wilkinson universality class.Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológico

Interfacial properties in a discrete model for tumor growth

We propose and study, by means of Monte Carlo numerical simulations, a minimal discrete model for avascular tumor growth, which can also be applied for the description of cell cultures in vitro. The interface of the tumor is self-affine and its width can be characterized by the following exponents: (i) the growth exponent β = 0.32 ( 2 ) that governs the early time regime, (ii) the roughness exponent α = 0.49 ( 2 ) related to the fluctuations in the stationary regime, and (iii) the dynamic exponent z = α / β ≃ 1.49 ( 2 ) , which measures the propagation of correlations in the direction parallel to the interface, e.g., ξ ∝ t 1 / z , where ξ is the parallel correlation length. Therefore, the interface belongs to the Kardar-Parisi-Zhang universality class, in agreement with recent experiments of cell cultures in vitro. Furthermore, density profiles of the growing cells are rationalized in terms of traveling waves that are solutions of the Fisher-Kolmogorov equation. In this way, we achieved excellent agreement between the simulation results of the discrete model and the continuous description of the growth front of the culture or tumor.Fil: Moglia, Belén. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; ArgentinaFil: Guisoni, Nara Cristina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; ArgentinaFil: Albano, Ezequiel Vicente. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; Argentin

Prosopis alba, alternativa sustentable para zonas áridas y semiáridas

Entre las numerosas especies el género Prosopis, se destaca, Prosopis alba como una especie forestal nativa de gran importancia en las Regiones semiáridas Argentinas. En este capítulo, se discuten características, servicios que brinda el algarrobo blanco tales como: el valor comercial de su madera, alto contenido en proteínas y azucares de sus frutos, usados como alimento humano y forraje en poblaciones locales, el uso extendido en la industria del mueble, debido a sus propiedades físico-mecánicas de su madera. También fueron abordados aspectos morfométricos con rasgos de copa y como pueden variar en un gradiente ambiental, siendo fundamental este aspecto cuando se pretende recuperar áreas degradadas o cuando se realizan intervenciones silvícolas. Por otro lado, se discutieron adaptaciones fisiológicas o morfo-anatómicas del leño que parecen ser específicos para cada especie. Finalmente, se discuten el gran interés que puede tener Prosopis alba en los programas de mejora genética, por su variabilidad tanto fenotípica como anatómica.Fil: Cisneros, Ana Belén. Universidad Nacional de Santiago del Estero. Facultad de Ciencias Forestales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Moglia, Juana Graciela. Universidad Nacional de Santiago del Estero; Argentin

Morfometria de copa en Prosopis alba Griseb.

The morphometric relations allow describing and characterizing the dimensions of trees, stands without prior knowledge of the age and have utility in silvicultural management, forest monitoring and productivity, especially when there is a premise of making a sustainable use of forests. The objectives of the present study were to determine the morphometric indices according to their social positions (PS), correlate them, and create predictive models of these indices, because the dimensions and architecture of the crown may vary according to the PS. The data collection was carried out in three provinces of the Chaqueña Region, Argentina. In 100 individuals with DBH> 15 cm were measured: total height (Ht), diameter at breast height (DAP), crown length (Hc), crown radius (Rc), through which it was calculated the crown diameter (Dc), crown volume (Vc), slenderness rate (E), range index (Ia), crown section (Gc), salience index (IS), crown percentage (%c) and crown formal (Fc). The variables were subjected to the Pearson correlation analysis. The results indicate that there are positive correlations between % C, Ht, Hc, Dc and DAP, while E and Is showed negative correlations with DAP. The morphometric relationships of Prosopis alba can be accurately estimated using regression models. The results indicate that morphometric features can be described using a unique model, with the use of dummy classification variables that differentiate the sociological positions in individuals of Prosopis alba.Las relaciones morfométricas permiten describir y caracterizar las dimensiones de los árboles, rodales sin el conocimiento previo de la edad, tienen utilidad en el manejo silvicultural, monitoreos forestales y productividad, especialmente cuando se tiene como premisa hacer un uso sustentable de los bosques. Los objetivos del presente trabajo fueron determinar índices morfométricos según su posición social (PS), correlacionarlos, y crear modelos de predicción de esos índices, ya que las dimensiones y arquitectura de la copa pueden variar en virtud PS. La recolección de datos se realizó en tres provincias de la Región Chaqueña, Argentina. En 100 individuos con DAP> 15 cm, se midieron: altura total (Ht), diámetro a la altura del pecho (DAP), longitud de copa (Hc), radios copa (Rc), a través de los cuales se calcularon: diámetro de copa (Dc), volumen de copa (Vc), grado de esbeltez (E), índice de amplitud (Ia), sección de copa (Gc), índice saliente (Is), porcentaje de copa (%C) y forma de copa (Fc). Las variables fueron sometidas al análisis de correlación de Pearson. Los resultados indican que existen correlaciones positivas entre %C, Ht, Hc, Dc y el DAP, mientras que E e Is mostraron correlaciones negativas con el DAP. Las relaciones morfométricas de Prosopis alba pueden estimarse con precisión mediante modelos de regresión. Los resultados apuntan que los rasgos morfométricos pueden ser descriptos mediante un modelo único, con la utilización de variables de clasificación dummy que diferencian las posiciones sociológicas en individuos de Prosopis alba

Colorimetry of wood from Prosopis Alba

El algarrobo blanco (Prosopis alba) se caracteriza por sus excelentes propiedades física-mecánicas en su madera, lo cual la hace muy apreciable en la industria del mueble. El color es un rasgo importante en ciertos usos de la madera, e incide en su calidad. El objetivo de este trabajo fue evaluar la variación colorimétrica de la madera entre sitios, sección y región de la madera y correlacionar parámetros colorimétricos con rasgos morfométricos del árbol. Las muestras se extrajeron de tres rodales naturales (Los Arias, Santiago del Estero; Isla Cuba, Formosa y Villa Ángela, Chaco) y una plantación (San Isidro, Santiago del Estero), de la Región Chaqueña Argentina. Los parámetros colorimétricos (L*, a*, b*) se obtuvieron con un espectrofotómetro Konica Minolta CM-5 con iluminante D65. El análisis confirmó que existen diferencias significativas en parámetros colorimétricos entre sitios, secciones y regiones de las muestras de madera analizadas. El tamaño de los árboles se encuentra directamente relacionado con los parámetros colorimétricos.The algarrobo blanco (Prosopis alba) is characterized by its excellent physical-mechanical properties in its wood. The colour is an important feature in certain use of wood, and affects its quality. The objective of this work was to evaluate the colorimetric variation between sites, section and region of the wood samples and correlate colorimetric parameters with morphometric features of the tree. The samples were obtained from three natural stands (Los Arias, Santiago del Estero, Isla Cuba, Formosa and Villa Ángela, Chaco) and a plantation (San Isidro, Santiago del Estero), in the Chaqueña region of Argentina. The colorimetric parameters (L*, a*, b*) were obtained with a Konica Minolta CM-5 spectrophotometer with illuminant D65. The colorimetric analysis confirmed that there are significant differences in colorimetric parameters between sites, section and region in the wood samples analyzed. The size of the trees is directly related to the colorimetric parameters.Fil: Cisneros, Ana Belén. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán; Argentina. Universidad Nacional de Santiago del Estero. Facultad de Ciencias Forestales. Instituto de Silvicultura y Manejo de Bosques; ArgentinaFil: Nisgoski, Silvana. Universidade Federal do Paraná; BrasilFil: Moglia, Juana Graciela. Universidad Nacional de Santiago del Estero. Facultad de Ciencias Forestales. Instituto de Silvicultura y Manejo de Bosques; ArgentinaFil: Córdoba, Mariano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán; Argentina. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Agropecuarias; Argentin

Interfacial depinning transitions in disordered media: revisiting an old puzzle

Interfaces advancing through random media represent a number of different problems in physics, biology and other disciplines. Here, we study the pinning/depinning transition of the prototypical non-equilibrium interfacial model, i.e. the Kardar–Parisi–Zhang equation, advancing in a disordered medium. We will separately analyze the cases of positive and negative non-linearity coefficients, which are believed to exhibit qualitatively different behavior: the positive case shows a continuous transition that can be related to directed-percolation-depinning, while in the negative case there is a discontinuous transition and faceted interfaces appear. Some studies have argued from different perspectives that both cases share the same universal behavior. By using a number of computational and scaling techniques we will shed light on this puzzling situation and conclude that the two cases are intrinsically different.Facultad de Ciencias ExactasInstituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológico