لماذا تخلق الطبيعة أنماطًا؟ يشرح الفيزيائي العمليات على المستوى الجزيئي وراء البلورات والأشرطة والأعمدة البازلتية

Curious Kids هي سلسلة للأطفال من جميع الأعمار. إذا كان لديك سؤال تود أن يجيب عليه خبير ، فأرسله إلى curiouskidsus@theconversation.com.

لماذا تخلق الطبيعة دائمًا نمطًا؟ – سالوني ج. ، 16 سنة ، ألوار ، راجستان ، الهند

غالبًا ما تظهر أنماط السبب في الطبيعة بسيطة: تحدث نفس العمليات الفيزيائية أو الكيميائية الأساسية في العديد من المواد والكائنات المنقوشة أثناء تشكلها. سواء في النباتات والحيوانات أو الصخور والرغاوي وبلورات الجليد ، فإن الأنماط المعقدة التي تحدث في الطبيعة تنزل إلى ما يحدث على مستوى الذرات والجزيئات.

النمط في الطبيعة هو أي ترتيب متكرر للأشكال أو الألوان. بعض الأمثلة الأكثر لفتًا للانتباه تشمل المصفوفات السداسية من الصخور في Giant’s Causeway في المملكة المتحدة ، والترتيبات الجميلة للزهور على القرنبيط الرومانسكي والخطوط الملونة والبقع على الأسماك الاستوائية.

تبدأ أنماط مثل هذه في التكون على نطاق صغير عندما تخضع المواد لعمليات مثل التجفيف والتجميد والتجاعيد والانتشار والتفاعل. تؤدي هذه التغييرات بعد ذلك إلى ظهور أنماط معقدة على نطاق أوسع يمكن للناس رؤيتها.

أنماط في الجليد والصخور

تخيل بلورات رقيقة مجمدة على زجاج النافذة خلال يوم بارد. ما الذي يخلق هذا النمط؟

عندما يتجمد الماء ، تبدأ جزيئاته في التجمع معًا. جزيئات الماء لها شكل منحني معين يجعلها تتكدس في مجموعات على شكل أشكال سداسية عندما تتجمد.

مع نمو الكتلة ، تبدأ العديد من العوامل الخارجية ، بما في ذلك الرطوبة ودرجة الحرارة ، في التأثير على شكلها العام. إذا كان الماء يتجمد على زجاج النافذة ، على سبيل المثال ، فإن العيوب الصغيرة والعشوائية على السطح الزجاجي تعيد توجيه التكديس وإنشاء نمط أكبر.

هذه العملية نفسها لتكديس الجزيئات هي المسؤولة عن التنوع المذهل لأشكال ندفة الثلج.

ماذا عن الأنماط المذهلة لأعمدة البازلت في جسر العملاق؟ تشكلت هذه منذ 50 مليون إلى 60 مليون سنة ، حيث ارتفعت الحمم البركانية – السائل الصخري الساخن من أعماق الأرض – إلى سطح الأرض وبدأت تفقد الحرارة. تسبب التبريد في تقلص الطبقة العليا من البازلت. قاومت الطبقات الساخنة والأعمق هذا السحب ، مما أحدث تشققات في الطبقة العليا.

عندما بردت الحمم البركانية ، انتشرت الشقوق بشكل أعمق وأعمق في الصخر. تسببت الصفات الجزيئية الخاصة للبازلت ، بالإضافة إلى الفيزياء الأساسية لكيفية تفكك المواد – قوانين الفيزياء العامة لجميع المواد على الأرض – في التقاء الشقوق مع بعضها البعض في زوايا معينة لإنشاء أشكال سداسية ، مثل الماء المتراكم. الجزيئات.

في النهاية ، اقتحم البازلت المبرد أعمدة صخرية سداسية الشكل لا تزال تخلق مثل هذا النمط المثير للإعجاب بعد ملايين السنين.

الأنماط في الحيوانات

يبدأ إنشاء أنماط معقدة في الكائنات الحية أيضًا بآليات بسيطة على المستوى الجزيئي. تتضمن إحدى عمليات صنع الأنماط المهمة الطريقة التي تتفاعل بها المواد الكيميائية المنتشرة مع بعضها البعض.

تخيل كيف تنتشر قطرة من مُلوِّن الطعام في كوب من الماء – هذا هو الانتشار.

في عام 1952 ، أظهر عالم الرياضيات الإنجليزي آلان تورينج أن انتشار مادة كيميائية مثل هذه داخل مادة كيميائية أخرى يمكن أن يؤدي إلى تكوين جميع أنواع الأنماط في الطبيعة.

لقد أثبت العلماء أن هذه العملية تعيد إنتاج أنماط بقع النمر ، وخطوط الحمار الوحشي والعديد من العلامات الحيوانية الأخرى.

ما الذي يجعل هذه العلامات متسقة من جيل إلى جيل؟ مع تطور الأنواع الحيوانية ، تطورت هذه التفاعلات الكيميائية معهم وأصبحت جزءًا من شفراتهم الجينية. قد يكون هذا لأن العلامات ساعدتهم على البقاء. على سبيل المثال ، تقوم خطوط النمر بتمويهها أثناء الصيد في غابة أو أرض عشبية ، مما يجعل من السهل مفاجأتها والقبض على فريستها.

ومع ذلك ، لا يزال الباحثون يعملون على تحديد تفاصيل المواد الكيميائية المعينة المتضمنة.

لا يعرف العلماء دائمًا الغرض من النمط ، أو حتى إذا كان هناك نمط واحد. إن العمليات الجزيئية المتضمنة بسيطة بما يكفي لدرجة أنها قد تولد نمطًا بالصدفة.

على سبيل المثال ، في عمل فريقي البحثي الذي يدرس حبوب اللقاح النباتية ، رأينا مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأنماط ، بما في ذلك المسامير والخطوط وغيرها الكثير.

لا نفهم بعد لماذا ينتج النبات نمطًا معينًا من حبوب اللقاح بدلاً من الآخر. مهما كان الاستخدام النهائي الذي قد يكون لهذا النمط وأنماط أخرى في الطبيعة ، فإن تنوعها وتعقيدها وترتيبها مذهل.

مرحبًا أيها الأطفال الفضوليون! هل لديك سؤال تود أن يجيب عليه خبير؟ اطلب من شخص بالغ إرسال سؤالك إلى CuriousKidsUS@theconversation.com. من فضلك قل لنا اسمك وعمرك والمدينة التي تعيش فيها.

وبما أن الفضول ليس له حدود عمرية – أي للبالغين ، أخبرنا بما تتساءل أيضًا. لن نتمكن من الإجابة على كل سؤال ، لكننا سنبذل قصارى جهدنا.