Как бы мы ни были умны как вид, Мать-природа почти всегда, кажется, нас побеждает. Это верно для таких вещей, как хирургия мозга и робототехника; это верно для гонки по предотвращению тепловой смерти планеты; и, по-видимому, это также верно для высшей математики.
«Центральной проблемой геометрии является мозаика пространства с помощью простых структур», — начинается новая статья, опубликованная исследователями из Оксфордского университета и сообщающая об открытии совершенно нового класса фигур, называемых мягкими ячейками. Статья опубликована в журнале PNAS Nexus.
«Классические решения, такие как треугольники, квадраты и шестиугольники на плоскости, а также кубы и другие многогранники в трехмерном пространстве, построены с острыми углами и плоскими гранями», — пишут авторы. «Однако многие мозаики в природе характеризуются формами с изогнутыми краями, неплоскими гранями и небольшим количеством острых углов, если таковые вообще имеются».
По сути, проблема в следующем: как лучше всего полностью заполнить пространство формами или объектами? Когда вы задаете этот вопрос людям, мы инстинктивно выбираем остроугольные формы — квадраты, треугольники, шестиугольники и тому подобное. Это имеет смысл — в конце концов, попробуйте заполнить пространство кругами, и вы обязательно получите какие-то пустые места, независимо от того, насколько маленькими или замысловатыми вы их упаковываете.
Но когда мы смотрим на то, как естественный мир ответил на этот вопрос, мы видим чрезвычайно редкое решение такого типа. Как говорит Ален Горели, профессор математического моделирования Оксфордского университета и один из авторов новой статьи: «Природа не только не терпит пустоты, она, похоже, также не терпит острых углов».
Рассмотрим, например, луковицу. Если ее разрезать пополам, то можно увидеть идеально упакованную коллекцию взаимосвязанных форм, но, конечно, никаких прямых углов или линий. То же самое и с мышечной тканью: поперечное сечение клеток, составляющих гладкие мышечные волокна, покажет мозаику из вытянутых кругов, длинных и тонких, с точками на обоих концах.
Теперь, это не то, что никто никогда не замечал, что эти формы существовали раньше – или что они являются изящным способом заполнить область, не оставляя пустого места. Но как именно они работают с математической точки зрения? Это было немного загадкой.
«Хотя комбинаторные свойства мозаик были подробно исследованы, меньше внимания уделялось гладкости ячеек», — поясняется в статье. «Поскольку кусочно-гладкие формы, такие как квадраты и кубы, заполняют пространство, а гладкие формы — нет, возникает естественный вопрос: насколько гладкими могут быть заполняющие пространство формы».
Это немного технически сложно, но сводится к следующему: если форма недостаточно «острая», то она просто не сможет успешно заполнить пространство. Поэтому команде нужно было ответить на вопрос, насколько минимально острой должна быть форма, чтобы успешно замостить пространство.
Решение, как они обнаружили, — это эти «мягкие ячейки». Это формы, которые «минимизируют количество острых углов», — объясняют они в статье, «заполняя пространство как мягкие плитки. Примечательно, что эти идеальные мягкие формы, рожденные геометрией, в изобилии встречаются в природе, от клеток до ракушек».
Эти формы особенно интересны, когда мы переходим от двух к трем измерениям. «Мягкие ячейки помогают объяснить, почему, когда вы смотрите на поперечное сечение камерной оболочки, на ней видны углы, а на трехмерной геометрии камер их нет», — объясняет Габор Домокос, профессор геометрического моделирования Будапештского университета технологий и экономики и один из авторов статьи.
Действительно, как и в случае со многими драматическими открытиями, эти формы можно найти везде, как только вы знаете, что искать. Они являются «геометрическими строительными блоками биологической ткани», объясняют ученые, управляя такими вездесущими природными формами, как рост кончиков, кровяные клетки, речные острова и ракушки.
«Создание и поддержание острых углов в физических клетках — сложная и затратная задача, — пишут исследователи, — поскольку поверхностное натяжение и эластичность естественным образом стремятся сгладить углы. Поэтому неудивительно, что в природе встречается множество мягких плиток».
«Отсутствие острых углов и их мягкая, сильно изогнутая геометрия делают мягкие клетки идеальными кандидатами на роль моделей биологических структур, которые развивались в условиях полного или частичного ограничения, чтобы заполнить пространство», — заключают они.
Поиск техногенных сигнатур среди 33 экзопланет выявил один странный объект
Бескрайний космос кажется холодным и одиноким местом. Несмотря на все поиски в небе, до сих пор не удалось найти конкретных признаков внеземной жизни за пределами Земли – не говоря уже…
Рыбы понимают, что что-то не так, когда сосед внезапно исчезает
Крошечные стеклянные рыбки способны чувствовать опасность, не видя угрозы, используя внезапное исчезновение находящихся поблизости рыб в качестве предупреждающего сигнала. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature. Рыба в стае наблюдает…
Скалы Гранд-Каньона хранят 1,2-миллиардную летопись истории Земли и Луны
Примерно 1,25 миллиарда лет назад илистые отмели, граничащие с внутренним морем, стали источником красновато-оранжевых слоев хакатайских сланцев. Этот субтропический ландшафт на древнем континенте Лаврентия периодически превращался в ландшафт, состоящий из…
Поражены центры обработки данных и объекты ТЭК. Удары ВС РФ по объектам на Украине
ВС России ночью продолжили нанесение ударов беспилотными летательными аппаратами по логистическим и коммуникационным центрам, объектам портовой инфраструктуры и морским судам, задействованным в интересах ВСУ. Об этом сообщили в Минобороны РФ.…
Пострадавшие в Воронежской области и пожар на предприятиях на Кубани. Атаки БПЛА ВСУ на российские регионы
Силы ПВО за прошедшую ночь перехватили и уничтожили 254 украинских беспилотника над российскими регионами, а также акваториями Черного и Азовского морей. Об этом сообщили в Минобороны РФ. При атаке БПЛА…
Ковальчук: в Брянской области мужчина ранен из-за атаки дрона ВСУ по машине
Дрон-камикадзе ВСУ атаковал автомобиль в поселке Гетманская Буда Климовского района, водитель получил ранение. Об этом сообщил в "Максе" врио губернатора региона Егор Ковальчук. "Дрон-камикадзе атаковал машину местного жителя в поселке…
Европейские правые России отнюдь не друзья
Ни Ле Пен во Франции, ни Мелони в Италии, ни «Альтернатива для Германии» нам не друзья, никогда ими ...
Хемосимбиоз между животными и микробами существовал еще до кембрийского периода
Трубчатое морское существо, обитавшее на морском дне более 540 миллионов лет назад, возможно, выжило...
Финляндия ограничила доступ к полученным из России документам до 9999 года. А они таки оптимисты!
Этот сайт использует файлы «cookie» с целью повышения удобства его использования. Во время посещения сайта вы соглашаетесь с тем, что мы обрабатываем ваши персональные данные с использованием сервиса «Яндекс. Метрика». Продолжая использовать сайт, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности.
Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций
(Роскомнадзор). Реестровая запись от 07.06.2022 серия ЭЛ № ФС 77 – 83392. При использовании, полном или частичном
цитировании материалов planet-today.ru активная гиперссылка обязательна. Мнения и взгляды авторов не всегда совпадают с
точкой зрения редакции. На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии
предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей
сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)".