XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Удивительный мир симметрии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Симметрия это красиво. Мы видим ее везде, сидя в машине, любуясь архитектурой, фильмами или когда ищем для себя что то красивое. Она может быть привычной, пугающей и даже смертельной. В этой работе я собираюсь исследовать как различные виды симметрии влияют на людей и жизнь всего на земле.
Актуальность.
Выбранная мной тема актуальна, так как симметрия повсюду вокруг нас Создавая симметрию, природа стремится к красоте, гармонии и совершенству. Понятие симметрии используют все без исключения направления современной науки. Принципы симметрии играют важную роль в научном познании мира. Все законы природы подчиняются принципам симметрии.
Цель: рассмотреть виды симметрии в различных областях жизни. Показать симметрию как основу красоты и функциональности в природе.
Задачи:
1. Собрать и изучить информацию по данной теме.
2. Углубить знания о симметрии и ее видах.
3. Познакомится с историей возникновения симметрии.
4. Выявить использование симметрии в различных сферах человеческой деятельности.
5. Выделить симметрию как математическую основу законов красоты.
Предмет исследования: симметрия
Объекты исследования: природа, научные области.
Гипотеза: основополагающим принципом устройства мира- является симметрия
Основная часть
В этом учебном году мы проходим раздел биологии зоология и однажды, изучая для дополнительного задания улиток, я наткнулась в интернете на необычную статью.
У большинства улиток раковины закручены вправо, но именно у БОЛЬШИНСТВА, а не у всех. Раковина может быть закручена влево с шансом 1:100 000 000. Так например случилось с Джереми 1 – той самая улиткой из статьи. Раковина у него закручена влево (рис 1).
|
Рис. 1 |
Рис. 2 |
Подумаешь, какая разница куда закручена раковина вообще. Да, но вот найти пару таким улиткам крайне сложно. Особи с разными типами раковин не могут иметь потомство, просто потому что соответствующие органы для этого у них расположены зеркально (рис. 2). Это так же невозможно как левой рукой поздороваться с правой. Они вроде бы одинаковые, но невозможно. Джереми повезло, так как в соцсетях был запущен флешмоб, он привлек внимание и Джереми все таки удалось найти подругу и у них появились детки, при этом раковины были у них вполне обычными, закрученными вправо. Этот случай заставил меня задуматься, а почему такое случается? Когда мир стал делиться на право и на лево? И почему это так важно? В поисках ответов я зашла довольно далеко и сейчас я расскажу вам в чем, как оказалось кроется тайный смысл симметрии.
Случай симметрии Джереми странный, но далеко не самый удивительный в моей работе. Давайте разберемся что такое симметрия и каких видов она бывает.
Итак, если мы покрутим объект или отразим его в зеркале, или даже если мы крутим его по всем осям но его внешний вид не изменится, значит он симметричный. Хорошо, двухмерную, трехмерную симметрию представить легко, а как насчет симметрии E8 мерного объекта? 2
Рис. 3 (видео 3)
Естественно ее мы можем увидеть только на проекциях на плоскость, но это еще не самое невероятное. Самое невероятное - это то что она существует в двухсот сорока восьми измерениях. Это ломает мозг согласитесь. Но на самом деле наш разум не настолько крутой, чтобы представить себе всю эту историю, но вот для математиков ничего невозможного нет. В реальной жизни похожую симметрию показали электроны в кристаллах (рис. 3).
Мы – люди тоже симметричные, по крайней мере внешне или стараемся такими быть. Наша левая часть тела похожа на правую, но есть организмы с гораздо более интересной симметрией.
1. Сферическая симметрия
Рис. 4
Рис. 4
Для одноклеточных, к примеру, низ и верх, лево и право вообще не имеют никакого значения. Они просто плавают там в своей среде, но при этом обладают самой совершенной симметрией. СФЕРИЧЕСКОЙ. Любой разрез через центр тела делит организм на равные части. Такими, например являются радиолярии4 (рис 4).
Можно долго восхищаться какие красивые и пугающие создания, меня они всегда завораживали на страницах энциклопедии по биологии.
2. Радиальная симметрия
Однако, чтобы оставаться шариком надо быть очень маленьким, стоит набрать массу и сила тяжести не позволит иметь сферическую форму.
Эти существа переходят на другой уровень симметрии РАДИАЛЬНОЙ. это когда тело остается симметричным, если повернуть его вокруг своей оси на определенный угол. Так бывает у морских звезд, гидр и медуз. (рис 5)
Рис. 5
Если собаку, например можно повернуть только один раз, чтобы вернуть ее в исходное положение, то морскую звезду можно повернуть целых пять раз. У них скучная, малоподвижная жизнь, но она иногда дает свои преимущества. Посмотрите – это медуза Аорелия Аорита (рис 6). Ее личинка может плавать даже когда теряет конечности. Она просто перераспределяет оставшиеся и возвращает себе симметрию. Она может делать так снова и снова, пока конечностей останется всего две. Получается симметрия просто необходима им для жизни5.
Рис. 6
3. Билатеральная симметрия
Но чтобы подняться по эволюционной лестнице приходится самому двигаться быстрее, ловить больше добычи и просто бежать вперед, чтобы самому не стать добычей.
Из-за этого передняя часть тела, начинает отделяться от задней, туда сдвигаются органы чувств и рот(рис 7). В итоге остается лишь симметрия левой и правой половин. Она называется БИЛАТЕРАЛЬНАЯ6.
Рис. 7
Рис. 8
Рис. 9
Она отлично подходит для движения вперед. Турбилярии (рис 8) догадались до этого первыми 500 миллионов лет назад. Мы – люди тоже билатерально симметричны. Левая и правая половины нашего тела становятся симметричными еще в состоянии зародыша, за этим стоит сложный механизм. Есть две группы белков. Одна неравномерно распределяется по длине тела, другая по ширине (рис 9).Эти же белки и определяют, например то, сколько у нас будет пальцев на руках. Вот так они сливаются в знакомые очертания кисти и всего за двое суток получаются готовые пальцы. Но иногда механизм дает сбой и симметрия появляется там, где её быть не должно (рис 10).
Рис. 10
Многие виды от плодовых мушек до человека выбирают себе более симметричного партнера. У таких особей меньше сбоев в генетической программе, а значит и потомство будет здоровым.
4. Симметрия в природе
Но есть симметрия, которая недоступна живым существам. Алмазы (рис 11) такими делает природа, кристаллы пирита тоже.
Рис. 11
Рис. 12
А также природа делает симметричными вирусы. Да, вирусы это не совсем живые организмы. Они имеют гены и эволюционируют, но у них нет клеток и своего обмена веществ, поэтому правильнее всего называть их организмами на границе живого. Благодаря именно такой жизни, на половину живое на половину нет они могут принимать красивые и странные формы. Например спирали и икасаэдр (рис13).
Рис. 13
Рис. 14
С помощью такой симметрии вирусы решают чисто математическую задачу об экономии. Как построить свое тело так, чтобы осталось больше ресурсов для захвата других клеток.Например бактериофаги7 (рис 14) [7. с.10]
объединили в себе сразу два типа симметрии – спираль и правильный многогранник. В икосаэдре хранится днк, а через спирали впрыскивают генетический материал в клетку бактерии заставляя создавать тысячи копий самих себя.
Но что насчет растений? Кажется они не подчиняются законам симметрии. Посмотрите на это (изображение) полный хаос, никакой симметрии. Но дело в том, что растения подчиняются совсем другому закону. Закону ФРАКТАЛОВ.
5. Фрактальная симметрия
Мы встречаем фракталы повсюду.
Фракталы это фигуры – форма которых похожа на форму их частей. Но зачем природе нужны фракталы? Такая симметрия позволяет доставлять ресурсы к самым отдаленным участкам организма, экономя энергию и пространство. Например для доставки воды в корнях растений, воздуха в легких и крови в кровеносной системе (рис 15). Разные по природе фракталы оказались настолько похожими , что ученые смогли превратить прожилки листьев в кровеносные сосуды, пересадив туда сердечную ткань (рис 16).
Рис. 15
Рис. 16
Для некоторых людей симметрия жизненно важна, но есть люди у которых все органы отзеркалены (Транспозиция органов8).
То есть сердце у них справа, а печень слева Транспозиция представляет серьезную проблему врачебной практики, поскольку отсутствие знаний о такой особенности ставит специалиста в тупик при диагностическом поиске. Например, при аппендиците пациент испытывает боли в левой подвздошной ямке, что принимают за гастроэнтерологическую патологию, поэтому не оказывают хирургическую помощь. То же касается и острых болезней сердца, при которых боли будут справа от грудины, имитируя межреберную невралгию, пневмонию. Если все органы скоординированы, то человеку ничего не мешает жить.
6. Зеркальная симметрия (Хиральность)
Хиральность (Термин происходит от греч. "chiros" – рука.)отсутствие симметрии относительно левой и правой стороны, то есть отражение объекта не совпадает с самим объектом. Например, если я обведу на доске правую руку и приложу на рисунок левую, то изображения не совпадут. В зеркале правша превращается в левшу и наоборот. Улитки о которых говорилось раньше тоже хиральные.
Различные вещества тоже могут бать хиральными10. Не смотря на одинаковый состав молекул обладают совершенно разными свойствами например, молекула пеницилламина (рис 17) левая молекула- вещество применяющееся при острых и хронических отравлениях тяжелыми металлами, тогда как правая молекула- изомер токсичен и может привести к слепоте. Их действия противоположны потому что они по разному цепляются за молекулы в нашем теле. Это то же самое как пожать правую руку левой рукой.
Рис. 17
Разницу между правой и левой молекулой можно почувствовать даже по запаху и вкусу. Рассмотрим апельсин и лимон (рис 18). В этих фруктах содержится одно и тоже пахучее вещество -лимонен, только в зеркальных вариантах, в лимоне - левая, в апельсине - правая.
Рис. 18
Вывод
Все что мы знаем и видим в природе, сферы, фракталы, спирали, пятна наши тела, положение сердца, кровеносная система, две половинки нашего мозга построены благодаря различным видам симметрии миллиарды лет назад и до сих пор все работает по тем же законам.
Литература
1. Левые и правые улитки: URL: https://polit.ru/article/2017/11/22/ps_snails/
2. Математическая симметрия E8: URL:https://lenta.ru/news/2010/01/11/sym/
3 . Видео многомерной симметрии: URL: https://www.youtube.com/watch?v=UTFA8m7W7ac&ab_channel=ComForT
4. Радиолярии URL:https://pandia.ru/text/77/466/24253.php
5. Медузы без конечностей восстанавливаются, возвращая себе симметрию тела
URL: https://alev.biz/news/animal-world/zoophysiology/meduzy-bez-konechnostej-vosstanavlivayutsya-vozvrashhaya-sebe-simmetriyu-tela/
6. Билатеральная симметрия URL: https://bigenc.ru/biology/text/1866065
7. СТРУКТУРА И РЕПРОДУКЦИЯ ВИРУСОВ : учебное пособие/ Литусов Н.В., Устюжанин А.В Екатеринбуре, 2012, 29с.
8. Транспозиция внутренних органов: URL: https://www.krasotaimedicina.ru/diseases/zabolevanija_gastroenterologia/situs-inversus
9. Хиральность URL: https://zen.yandex.ru/media/russiaherb/limonen-vescestvo-iz-cedry-citrusovyh-obladaiuscee-protivorakovym-effektom-5d3acf8cf8ea6700ad7c789f
10. Про молекулы, ВикиЧтение: URL: https://fis.wikireading.ru/he7Yi35Ok1