ทำไมธรรมชาติถึงสร้างรูปแบบอยู่เสมอ? – Saloni G. อายุ 16 ปี เมืองอัลวาร์ รัฐราชสถาน อินเดีย

รูปแบบเหตุผลที่มักปรากฏในธรรมชาตินั้นเรียบง่าย: กระบวนการทางกายภาพหรือทางเคมีพื้นฐานที่เหมือนกันเกิดขึ้นในสารและสิ่งมีชีวิตที่มีลวดลายจำนวนมากในขณะที่ก่อตัว ไม่ว่าจะเป็นพืชและสัตว์หรือหิน โฟมและผลึกน้ำแข็ง ลวดลายอันซับซ้อนที่เกิดขึ้นในธรรมชาติล้วนมาจากสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับอะตอมและโมเลกุล

ลวดลายในธรรมชาติคือการจัดเรียงรูปทรงหรือสีซ้ำๆ เป็นประจำ ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดบางส่วน ได้แก่ แถวหินหกเหลี่ยมที่ Giant’s Causeway ในสหราชอาณาจักร การจัดเรียงเศษส่วนที่สวยงามของดอกย่อยบนบรอกโคลี Romanesco และลายและจุดที่มีสีสันบนปลาเขตร้อน

• บทความอื่น ๆ : elmecoindia.com

ภาพระยะใกล้ของบรอกโคลีโรมาเนสโกที่แสดงลวดลายเศษส่วนของตาตูมของบร็อคโคลี่โรมาเนสโกแต่ละดอกประกอบด้วยตูมเล็ก ๆ หลายชุดจัดเรียงในรูปแบบเกลียวที่สอดคล้องกัน Creativ Studio Heinemann / Westend61 ผ่าน Getty Images
รูปแบบเช่นนี้เริ่มก่อตัวขึ้นในระดับเล็กน้อยเมื่อวัสดุผ่านกระบวนการ เช่น การทำให้แห้ง การแช่แข็ง การย่น การแพร่ และการทำปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นทำให้เกิดรูปแบบที่ซับซ้อนในระดับที่ใหญ่ขึ้นซึ่งผู้คนสามารถมองเห็นได้

ลวดลายในน้ำแข็งและหินลองนึกภาพผลึกน้ำแข็งอันละเอียดอ่อนบนบานหน้าต่างในช่วงวันที่อากาศหนาวเย็น อะไรทำให้เกิดรูปแบบนั้น?เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง โมเลกุลของมันจะเริ่มจับกลุ่มกัน โมเลกุลของน้ำมีรูปร่างโค้งงอเฉพาะที่ทำให้พวกมันเรียงตัวเป็นกลุ่มที่มีรูปร่างเหมือนหกเหลี่ยมในขณะที่แข็งตัว

เมื่อคลัสเตอร์เติบโตขึ้น ปัจจัยภายนอกหลายอย่าง รวมถึงความชื้นและอุณหภูมิเริ่มส่งผลต่อรูปร่างโดยรวม หากน้ำกลายเป็นน้ำแข็งบนบานหน้าต่าง เช่น ความไม่สมบูรณ์เล็กๆ น้อยๆ แบบสุ่มบนพื้นผิวกระจกจะเปลี่ยนทิศทางการเรียงซ้อนและสร้างลวดลายที่ใหญ่ขึ้น

น้ำค้างแข็งบนหน้าต่างเก่าผลึกน้ำแข็งบนหน้าต่างเก่าในนอร์เวย์ . Baac3nes / Moment ผ่าน Getty Imagesกระบวนการเดียวกันนี้ในการวางซ้อนโมเลกุลมีหน้าที่สร้างรูปทรงเกล็ดหิมะที่หลากหลายแล้วรูปแบบที่น่าทึ่งของเสาหินบะซอลต์ที่ Giant’s Causeway ล่ะ? สิ่งเหล่านี้ก่อตัวขึ้นเมื่อ 50 ล้านถึง 60 ล้านปีก่อน เมื่อลาวาซึ่งเป็นของเหลวจากหินร้อนจากใต้ดินลึก ลอยตัวขึ้นสู่พื้นผิวโลกและเริ่มสูญเสียความร้อน ความเย็นทำให้ชั้นบนสุดของหินบะซอลหดตัว ชั้นที่ลึกและร้อนจะต้านทานการดึงนี้ ทำให้เกิดรอยแตกในชั้นบนสุด

เมื่อลาวาเย็นตัวลง รอยแตกก็แผ่ขยายลึกลงไปในหิน คุณสมบัติระดับโมเลกุลเฉพาะของหินบะซอลต์ เช่นเดียวกับฟิสิกส์พื้นฐานของการแตกหักของวัสดุ – กฎฟิสิกส์สากลสำหรับสสารทั้งหมดบนโลก – ทำให้รอยร้าวมาบรรจบกันที่มุมหนึ่งเพื่อสร้างรูปหกเหลี่ยม คล้ายกับน้ำที่ซ้อนกัน โมเลกุลในที่สุด หินบะซอลต์ที่เย็นยะเยือกก็แตกออกเป็นเสาหินรูปหกเหลี่ยมซึ่งยังคงสร้างรูปแบบที่น่าประทับใจเช่นนี้ในอีกหลายล้านปีต่อมา

ลวดลายในสัตว์การสร้างรูปแบบที่ซับซ้อนในสิ่งมีชีวิตเริ่มต้นด้วยกลไกง่ายๆ ในระดับโมเลกุล กระบวนการสร้างลวดลายที่สำคัญอย่างหนึ่งเกี่ยวข้องกับวิธีที่สารเคมีกระจายตัวทำปฏิกิริยาระหว่างกันลองนึกภาพว่าสีผสมอาหารหยดลงในแก้วน้ำได้อย่างไร นั่นคือการแพร่กระจาย

หยดสีย้อมสีน้ำเงินที่กระจายอยู่ในน้ำหยดสีย้อมสีน้ำเงินในระยะต่าง ๆ ของการแพร่กระจายในน้ำ ห้องสมุดภาพวิทยาศาสตร์ผ่าน Getty Imagesในปี 1952 นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ อลัน ทัวริง แสดงให้เห็นว่าสารเคมีที่แพร่กระจายในลักษณะนี้ภายในสารเคมีอื่นสามารถนำไปสู่การก่อตัวของรูปแบบต่างๆ ในธรรมชาติได้นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่ากระบวนการนี้ทำซ้ำรูปแบบของจุดของเสือดาว ลายทางของม้าลาย และเครื่องหมายสัตว์อื่นๆ อีกมากมาย

เสือโคร่งเบงกอลเพศเมียที่เดินด้อม ๆ มองๆ – ลายของเธอผสมผสานกับพืชพันธุ์รอบตัวเธอลายเสือสามารถช่วยให้กลมกลืนกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ ทำให้เหยื่อมองเห็นได้ยากขึ้น Sourabh Bharti / iStock ผ่าน Getty Images Plusอะไรทำให้เครื่องหมายเหล่านี้สอดคล้องกันจากรุ่นสู่รุ่น? เมื่อสัตว์มีวิวัฒนาการ ปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้ก็วิวัฒนาการไปพร้อมกับพวกมันและกลายเป็นส่วนหนึ่งของรหัสพันธุกรรมของพวกมัน อาจเป็นเพราะเครื่องหมายช่วยให้รอด ตัวอย่างเช่น ลายเสืออำพรางในขณะที่ล่าสัตว์ในป่าหรือทุ่งหญ้า ทำให้ประหลาดใจและจับเหยื่อได้ง่ายขึ้น

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยังคงหารายละเอียดเกี่ยวกับสารเคมีที่เกี่ยวข้องนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้รู้จุดประสงค์ของรูปแบบเสมอไป แม้ว่าจะมีอย่างใดอย่างหนึ่งก็ตาม กระบวนการระดับโมเลกุลที่เกี่ยวข้องนั้นง่ายพอที่จะทำให้เกิดรูปแบบโดยบังเอิญตัวอย่างเช่น ในงานของทีมวิจัยที่ทำการศึกษาละอองเรณูพืช เราได้เห็นรูปแบบต่างๆ มากมาย รวมถึงหนามแหลม ลายทาง และอื่นๆ อีกมากมาย

ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดสีของละอองเรณูจากพืชทั่วไปหลายชนิดละอองเรณูของพืชทั่วไปหลายชนิด เช่น ดอกทานตะวัน ดอกผักบุ้ง ทุ่งหญ้าฮอลลี่ฮ็อค ดอกลิลลี่ตะวันออก อีฟนิ่งพริมโรส และถั่วละหุ่ง ซึ่งขยายขึ้น 500 เท่าและถูกแต่งสีในภาพนี้ แสดงลวดลายที่สลับซับซ้อน สิ่งอำนวยความสะดวกกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนดาร์ทเมาท์เรายังไม่เข้าใจว่าทำไมพืชถึงสร้างรูปแบบละอองเรณูแบบใดแบบหนึ่งโดยเฉพาะมากกว่ารูปแบบอื่น ไม่ว่ารูปแบบนี้และรูปแบบอื่น ๆ จะใช้รูปแบบใดในธรรมชาติ ความหลากหลาย ความซับซ้อน และระเบียบของพวกมันก็น่าทึ่ง