Спиралите-кривите на живота

Химическите елементи, подредени в спирала

Година след като Менделеев публикува своята периодична таблица на елементите, през 1870 г. немският учен Баумгауер представил друга система на организация – спирала.

През 1906 г. шведският учен Ю. Ридберг публикувал
статията "Електронът, първият елемент", а през 1913 г. представил периодична система на елементите във вид на концентрични окръжности. Преходът от една окръжност към друга се осъществявал със скок с ъгъл на завоя, близък до 360 градуса. По такъв начин, тази периодична система образувала нещо като спирала. Отличителна особенност на неговата система било това, че всички атомни номера, започвайки от хелия, се различават с постоянна разлика, равна на две. Той смятал, че първия период се състои от четири, а не от два елемента, при това между водорода и хелия той поместил още два елемента – небулий и короний

По този повод Менделеев писал: “В същност все пак разпределението на елементите представлява непрекъснатост и отговаря в някаква степен на спирална функция.”


Спирали във флуидите

В атмосферните явления – циклони, тайфуни, торнадо и вихрушки, частиците се движат по спирала.

Първата снимка е ураганът "Изабел", минаващ над Бахамските острови, а на втората – ураганът "Фран". На третата снимка е супертайфунът "Вини", кръжащ над Тихи океан. Скоростта на вятъра в него достига 256 км/час. Вини е един от най-силните циклонални системи в съвременната епоха.

Ураганите са огромные въртящи се бури, чиято облачна система може да заеме огромни площи. Тропическите циклони, които се наричат урагани в западното полукълбо и тайфуни в източното полукълбо, получават колосалната си енергия от изпаряващата се вода на океана. Има много любопитни неща за циклоните като например механизма на образуване и избора на посоката на движение.

По-долу е сателитна снимка
на зона на ниско налягане над Исландия. Направена е септември 2003г. с апаратура MODIS по проект на NASA.




Вода

Още Леонардо да Винчи е изучавал спиралните завихрения в бурно течаща вода. При изтичане на вода през отвор на дъното, вълни, преминаване край преграда и въобще,
когато движението стане турбулентно, завихренията са по спирални траектории.



Спирали в кристални структури

Интересни и много красиви спирали се образуват и при кристалите. Първата снимка на графитен кристал от Завалия-Украйна, вторите са снимани със специален микроскоп образци от Крестмор, Ривърсайд, Калифорния.

Д-р. В. Тончев и Б. Рангелов от Института по физико-химия към БАН ми обърнаха внимание на още по-любопитни снимки на спирални структури, получени в техния институт. Първата е получена от д-р Иван Кръстев, изследващ структури в сребърно-антимонови сплави. Снимката в средата е получена от д-р Милко Монев, а спиралите са миниатюрни пукнатини в тънки галванични слоеве от никел.

Последната снимка е от разработката на колектива: Щърбова, Кожухарова, Щърбов и В.Тончев. Те изследват аморфен въглероден филм, отложен върху стъкло в невисок вакуум. Подобни тънки филми се използват често в съвременните технологии – като нанотехнологиите, а и самото полагане върху стъкло е стандартна процедура при работа с микроскоп. Какво се получава: повърхностния колоиден слой на стъклото (получаващ се естествено от влагата във въздуха) претърпява промени в еластичното си състояние под въздействието на енергията, която се отделя при отлагането на въглероден филм. Подобно на ефекта на неустойчивостта на Бенар и реакцията на Белоусов-Жаботински, колоидният слой се самоорганизира, преминава в нова фаза със спирални структури.

(фаза – тяло, което има еднородни физически и химически свойства – напр. графита и диаманта са две фази на въглерода.
При изменяне на външните условия – температура, налягане, електрическо или магнитно поле, фазите могат да се превръщат от една в друга. Този процес се нарича фазов преход.)

Ако спиралите на Кръстев, Монев и Щърбова са мезоскопски (разстоянието между две витки са от порядъка от няколко десетки до няколко стотин микрона) и механизмът на образуването им е все още неясен, то на ниво атомна кристална решетка също има спирални процеси, описани и обяснени още през 1939г. от Бюргерс.

В идеалния модел на кристал атомните равнини са успоредни по цялото си продължение. Но когато реалните кристали нарастват или се изпаряват или ако са подложени на някакви деформации, в тях се появяват дефекти – точкови, линейни, повърхностни и
обемни. Линейните се наричат
дислокации.

Причината за появата на спирали по повърхността на сплави и кристали е винтовата дислокация. При нея атомните равнини вече не са отделни, те формират една единствена повърхност, подобна на свредел, наречена хеликоида. Ако оста на винтовата повърхност излиза на външната повърхност на кристала, то на него се образува характерно стъпало с височина 1 атомен слой. При кристализация атомите се присъединяват към стъпалото на повърхността на растящия кристал, като се подреждат от оста към периферията. Така се отмества ръба на стъпалото и се предизвиква усукване около оста на дислокация. Стъпалото последователно се повдига един по един "кристален етаж", което води до спирален растеж на кристала.

Гигантски спирали

Бреговия контур, а също и орографичната (планинската) схема на Антарктида ясно показват съществуването на две спираловидни ръкава, продължението на единия е Южна Америка, а на другия – Австралия, Индия, Азия.

Аналогично явление се забелязва на Марс, където ясно се вижда спираловидната структура на полярната шапка ледове.

Най-големите от всички спираловидни прояви в природата са спиралните галактики, диаметрите на които са хиляди светлинни години. Вляво е галактика М51 (Whirpool). Ръкавите се описват от двойка логаритмични спирали през 180о


Спиралите в основата на живота

Формите и в растителния, и в животинския свят се развиват, подчинявайки се на две тенденции:

  • симетрия относно посоката на растеж и движение
  • златно сечение, което се проявява в пропорциите на частите перпендикулярно на направлението на ръста.

    В природата отделните части са или симетрични или в златни пропорции. В частите се проявява повторението на строежа на цялото.

Всичко, което расте, се стреми да заеме максимален обем. С тази цел расте нагоре и се растила в ширина. Комбинацията на тези два процеса води до развитие на формата във вид на спирала.

Великият Гьоте е не само поет, а и естествоизпитател, който мечтаел за създаването на единно учение за формата, образуването и преобразуването на органичните тела и въвел термина "морфология". Той забелязал тенденцията на спирално развитие на повечето природни форми и нарекъл спиралата "крива на живота".

Молекулата на ДНК е завита двойна спирала. Генетичният код се носи от две гигантски
молекули нуклеинова киселина, които са винаги навити в дясна спирала. Както нуклеиновите киселини, така и белтъчните молекули имат гръбнак във форма на верига от елементи, които представляват еднакво завити асиметрични структури. Всеки елемент дава допълнително усукване на веригата в една и съща посока подобно на стъпалата на вита стълба.

Вдясно виждате резултатите от кристализацията на протеина лизозим. На първата снимка процеса се извършва в дистилирана вода
– спиралата е оформена от почти прави линии и завоите са под 90°. На втората снимка вместо дистилирана вода е използвана минерална вода. Спиралата става закръглена, но стъпалата са по-груби.

Опитите са на Л. Рашкович и Н.Гвоздев от Московския университет "Ломоносов" – повече информация – тук.

 


Спирали в растителния свят

За филотахията – винтообразното разположение на листата, спиралите в разположението на семената в слънчогледа, в шишарките, ананасите, кактусите, говорихме подробно в темата:"Числата на Фибоначи при растенията". Там изяснихме, че в тези случаи се проявява реда на Фибоначи, а също и законът на златното сечение.

Но освен при тези фундаментални закони в растителния свят спиралите се срещат доста често. Има ги при строежа на стъблата, семената, цветовете, листата, мустачките (първата снимка вляво). Новите листа се завиват спирално преди да се разгънат (филодендрона средата). На последната снимка са млади папратови растения в резервата Фурнас.


Спирали в животинския свят

Спиралните конструкции изобилстват в живите форми, като се започне от най-простия вирус и се стигне до частите на човешкото тяло.

  • Черупките
    • на охлювите
    • на наутилуса
    • дори на планктона:

Вляво е ларва на червея Terebellid. Вдясно е
Heteropod Atlanta peronii. Хетероподите са прости ракообразни с крехка прозрачна черупка, в която крие само сърце и хриле. То плава с дъното нагоре, използвайки черупката си като кил. Има назъбена radula (език) на дългия си, завит на спирала хобот и добре си похапва – способен е да погълне жертва, по-голяма от него самия.

 

  • Паякът плете паяжината си спиралообразно;
  • Рогата на антилопата куду са завити симетрично в противоположни посоки;
  • Опашките на хамелеона и на водното конче се завиват на спирала;
  • Изплашеното стадо северни елени се разбягва по спирала;
  • Косите на много хора се къдрят във вид на спирала.

Aко се вгледате в гръбначния стълб на човешки зародиш, ще видите част от логаритмична спирала.

Гръбначният стълб е определящ за формата на осталата част от тялото. Поради това, че гръбначния стълб е Златна спирала, зародишът заема най-малко пространство в процеса на растежа си. Ако това не беше така, и зародишът би бил твърде голям и на майките щеше да им е много неудобно.

Прочети още ...

Спиралите-кривите на живота

Вашият коментар

Or

Вашият email адрес няма да бъде публикуван Задължителните полета са отбелязани с *

*


Можете да използвате тези HTML тагове и атрибути: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>