Симметрия в природе

Содержание: 

1. Значение симметрии  в познании природы

  1.1 Понятие симметрии

     1.2 Виды симметрии

2. Симметрия в природе.

   2.1 Симметрия в мире растений      

     2.2 Симметрия в мире животных     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗНАЧЕНИЕ  СИММЕТРИИ В ПОЗНАНИИ ПРИРОДЫ     

 Симметрии  часто являлась точкой опоры  в гипотезах и теориях ученых  прошлого. Одним из примеров является  факт существования определяемых  симметрией ограничений разнообразия  структур молекул и кристаллов. Допустим, что в одной из  отдаленных  галактик обитают высокоразвитые  существа, увлекающиеся играми. Мы  можем ничего не знать о  вкусах этих существ, о строении  их тела и т.д. Но мы знаем,  что их игральные кости имеют  одну из пяти форм - тетраэдр, куб,  октаэдр, додекаэдр, икосаэдр. Так  как любая другая форма игральной  кости в принципе исключена,  поскольку вероятность выпадения  при игре любой грани подразумевает  под собой использование формы  правильного многогранника, а  таких форм только пять.     

   Наблюдая хаотическую россыпь звезд на ночном небе, мы понимаем, что за внешним беспорядком их положения скрываются вполне симметричные спиральные структуры галактик, а в них - симметричные структуры планетных систем. Симметрия внешней формы кристалла является следствием ее внутренней симметрии - упорядоченного взаимного расположения в пространстве атомов (молекул). Другими словами, симметрия кристалла связана с существованием пространственной решетки из атомов, так называемой кристаллической решетки.    

  Видный советский ученый академик В. И. Вернадский писал в 1927 году: "Новым в науке явилось не выявление принципа симметрии, а выявление его всеобщности". Действительно, всеобщность симметрии поразительна. Симметрия устанавливает внутренние связи между объектами и явлениями, которые внешне никак не связаны.    

 Всеобщность  симметрии не только в том,  что она обнаруживается в разнообразных  объектах и явлениях. Всеобщим  является сам принцип симметрии,  без которого по сути дела  нельзя рассмотреть ни одной  фундаментальной проблемы, будь то проблема жизни или проблема контактов с внеземными цивилизациями.    

 Основные  принципы симметрии лежат в  основе теории относительности,  квантовой механики, физики твердого  тела, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц. Наиболее  яркое выражение этих принципов  лежит свойствах инвариантности  законов природы. Речь при этом  идет не только о физических  законах, но и других, например, биологических.      

 Одним из  примером биологического закона  сохранения может служить закон  наследования. В основе его лежат  инвариантность биологических свойств  по отношению к переходу от  одного поколения к другому.  Вполне очевидно, что без законов  сохранения (физических, биологических  и прочих) наш мир попросту  не смог бы существовать.          

Рассмотрим  аспекты, без которых симметрия  невозможна:

1) объект - носитель  симметрии; в роли симметричных  объектов могут выступать вещи, процессы, геометрические фигуры, математические  выражения, живые организмы и  т.д. 

2) некоторые  признаки - величины, свойства, отношения,  процессы, явления - объекта, которые  при преобразованиях симметрии  остаются неизменными; их называют  инвариантными или инвариантами.

3 )изменения  (объекта), которые оставляют объект  тождественным самому себе по  инвариантным признакам; такие  изменения называются преобразованиями  симметрии; 

4) свойство объекта  превращаться по выделенным признакам  в самого себя после соответствующих  его изменений. 

Инвариант вторичен по отношению к изменению; покой  относителен, движение абсолютно.  

Таким образом, симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или сохранение чего-то несмотря на изменение. Симметрия  предполагает неизменность не только самого объекта, но и каких-либо его  свойств по отношению к преобразованиям, выполненным над объектом. Неизменность тех или иных объектов может наблюдаться  по отношению к разнообразным  операциям - к поворотам, переносам, взаимной замене частей, отражениям и  т.д. В связи с этим выделяют разные типы симметрии.

 
1.2.Виды  симметрии 

ПОВОРОТНАЯ  СИММЕТРИЯ. Объект обладает поворотной симметрией, если он совмещается сам с собой при повороте на угол 2?/n, где n может равняться 2, 3, 4 и т.д. до бесконечности. Ось симметрии называется ось осью n-го порядка.  

ПЕРЕНОСНАЯ (ТРАНСЛЯЦИОННАЯ) СИММЕТРИЯ. При переносе фигуры вдоль прямой на какое-то расстояние а либо расстояние, кратное этой величине, она совмещается сама с собой.  
Прямая, вдоль которой производится перенос, называется осью переноса, а расстояние а - элементарным переносом или периодом. С этим типом симметрии связано понятие периодических структур или решеток, которые могут быть и плоскими, и пространственными.

    ЗЕРКАЛЬНАЯ  СИММЕТРИЯ. Зеркально симметричным считается объект, состоящий из двух половин, которые являются зеркальными двойниками по отношению друг к другу.  
Трехмерный объект преобразуется сам в себя при отражении в зеркальной плоскости, которую называют плоскостью симметрии.

    Взглянув  на окружающий нас реальный мир, мы можем убедиться в первостепенном значении именно зеркальной симметрии с соответствующим симметричным элементом — плоскостью симметрии. В самом деле, форма всех объектов, которые двигаются по земной поверхности или возле нее — шагают, плывут, летят, катятся, — обладает, как правило, одной более или менее хорошо выраженной плоскостью симметрии. Все то, что развивается или движется лишь в вертикальном направлении, характеризуется симметрией конуса, то есть имеет множество плоскостей симметрии, пересекающихся вдоль вертикальной оси. И то и другое объясняется действием силы земного тяготения, симметрия которого моделируется конусом.

СИММЕТРИИ ПОДОБИЯ представляют собой своеобразные аналоги предыдущих симметрий. Единственная разница лишь в том, что они связаны с одновременным уменьшением или увеличением подобных частей фигуры и расстояний между ними. Простейшим примером такой симметрии являются матрешки. Иногда фигуры могут обладать разными типами симметрии.  
Например, поворотной и зеркальной симметрией обладают некоторые буквы: Ж, Н, Ф, О, Х. Выше перечислены так называемые геометрические симметрии.  

Существует много  других видов симметрий, имеющих  абстрактный характер. Например, ПЕРЕСТАНОВОЧНАЯ СИММЕТРИЯ, которая состоит в том, что если тождественные частицы поменять местами, то никаких изменений не происходит; НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ - это тоже определенная симметрия.

КАЛИБРОВОЧНЫЕ СИММЕТРИИ связаны с изменением масштаба.  

В неживой природе  симметрия прежде всего проявляется  в таком явлении природы, как  кристаллы, из которых состоят практически  все твердые тела.  
Именно она и определяет их свойства. Самый очевидный пример красоты и совершенства кристаллов - это известная всем снежинка.  
 
 

     2.СИММЕТРИЯ В ПРИРОДЕ.

      Симметрией  обладают объекты и явления живой  природы. Она  позволяет живым  организмам лучше приспособиться к  среде обитания и просто выжить.

      Организмы разного анатомического строения могут  иметь один и тот же тип внешней  симметрии.

      Внешняя симметрия может выступить в  качестве основания классификации  организмов (сферическая, радиальная, осевая и т.д.) Микроорганизмы, живущие  в условиях слабого воздействия  гравитации, имеют ярко выраженную симметрию формы.

    Асимметрия  присутствует уже на уровне элементарных частиц и проявляется в абсолютном преобладании в нашей Вселенной  частиц над античастицами. Известный  физик Ф. Дайсон писал: "Открытия последних десятилетий в области  физики элементарных частиц заставляют нас обратить особое внимание на концепцию  нарушения симметрии. Развитие Вселенной  с момента ее зарождения выглядит как непрерывная последовательность нарушений симметрии.  
В момент своего возникновения при грандиозном взрыве Вселенная была симметрична и однородна. По мере остывания в ней нарушается одна симметрия за другой, что создает возможности для существования все большего и большего разнообразия структур. Феномен жизни естественно вписывается в эту картину. Жизнь - это тоже нарушение симметрии"  
          Молекулярная асимметрия открыта Л. Пастером. Он первым выделил "правые" и "левые" молекулы винной кислоты: правые молекулы похожи на правый винт, а левые - на левый. Такие молекулы химики называют стереоизомерами. Молекулы-стереоизомеры имеют одинаковый атомный состав, одинаковые размеры, одинаковую структуру - в то же время они различимы, поскольку являются зеркально асимметричными, т.е. объект оказывается нетождественным со своим зеркальным двойником. Поэтому здесь понятия "правый-левый" - условны.  
В настоящее время хорошо известно, что молекулы органических веществ, составляющие основу живой материи, имеют асимметричный характер, т.е. в состав живого вещества они входят только либо как правые, либо как левые молекулы. Таким образом, каждое вещество может входить в состав живой материи только в том случае, если оно обладает вполне определенным типом симметрии. Например, молекулы всех аминокислот в любом живом организме могут быть только левыми, сахара - только правыми.  
   Это свойство живого вещества и его продуктов жизнедеятельности называют дисимметрией. Хотя правые и левые молекулы неразличимы по химическим свойствам, живая материя их не только различает, но и делает выбор. Она не использует молекулы, не обладающие нужной ей структурой. Как это происходит, пока не ясно. Молекулы противоположной симметрии для нее яд.  
         Если бы живое существо оказалось в условиях, когда вся пища была бы составлена из молекул противоположной симметрии, не отвечающей дисимметрии этого организма, то оно погибло бы от голода. В неживом веществе правых и левых молекул поровну. Дисимметрия - единственное свойство, благодаря которому мы можем отличить вещество биогенного происхождения от неживого вещества. Мы не можем ответить на вопрос, что такое жизнь, но имеем способ отличить живое от неживого.  
Таким образом, асимметрию можно рассматривать как разграничительную линию между живой и неживой природой. Для неживой материи характерно преобладание симметрии, при переходе от неживой к живой материи уже на микроуровне преобладает асимметрия. В живой природе асимметрию можно увидеть всюду. Очень удачно это подметил в романе "Жизнь и судьба" В. Гроссман: "В большом миллионе русских деревенских изб нет и не может быть двух неразличимо схожих. Все живое неповторимо.

    Симметрия лежит в основе вещей и явлений, выражая нечто общее, свойственное разным объектам, тогда как асимметрия связана с индивидуальным воплощением  этого общего в конкретном объекте. На принципе симметрии основан метод  аналогий, предполагающий отыскание  общих свойств в различных  объектах. На основе аналогий создаются  физические модели различных объектов и явлений. Аналогии между процессами позволяют описывать их общими уравнениями.

    2.1.СИММЕТРИЯ В МИРЕ РАСТЕНИЙ:

    Специфика строения растений и животных определяется особенностями их образа жизни и  среды обитания, к которой они  приспосабливаются. У любого дерева есть основание и вершина, "верх" и "низ", выполняющие разные функции. Значимость различия верхней и нижней частей, а также направление силы тяжести определяют вертикальную ориентацию поворотной оси "древесного конуса" и плоскостей симметрии.  
Для листьев характерна зеркальная симметрия. Эта же симметрия встречается и у цветов, однако у них зеркальная  симметрия чаще выступает в сочетании с поворотной симметрией. Нередки случаи и переносной симметрии (веточки акации, рябины). Интересно, что в цветочном мире наиболее распространена поворотная симметрия 5-го порядка, которая принципиально невозможна в периодических структурах неживой природы.  
Этот факт академик Н. Белов объясняет тем, что ось 5-го порядка - своеобразный инструмент борьбы за существование, "страховка против окаменения, кристаллизации, первым шагом которой была бы их поимка решеткой"  Действительно, живой организм не имеет кристаллического строения в том смысле, что даже отдельные его органы не обладают пространственной решеткой. Однако упорядоченные структуры в ней представлены очень широко.