Почему природа полна узоров?

В науке мы часто сталкиваемся с глубокими вопросами о том, что реально, а что воспринимается. Один из таких вопросов, с которым мы можем столкнуться, касается естественных паттернов. От снежинок до Дороги великанов в Северной Ирландии, от брокколи романеско до полярных облаков Сатурна, почему природа продолжает выстраиваться в узоры? 

Люди настолько хорошо замечают закономерности, что иногда обманывают себя, заставляя видеть вещи, которых нет. Это явление, называемое парейдолией, позволяет нам видеть значимые образы в случайных или неоднозначных зрительных образах и, возможно, было жизненно важным для нашего выживания. Есть причина, по которой мы видим фигуры в облаках, лица в глазницах и мышей на Марсе. 

Так действительно ли природа полна закономерностей, или мы просто слишком хорошо их видим, независимо от того, есть они там или нет? Как это всегда бывает с этими пикантными научными дилеммами, ответ далеко не прост и не однозначен. 

От могучих шестиугольников до молекулярных кристаллов

Для нас многие природные структуры имеют четкие узоры, поэтому мы даем им имена. Возьмем, к примеру, шестигранную шестиугольную форму. Как только у него появляется узнаваемое имя и форма, он начинает появляться повсюду, хотя причин может быть много. Известно, что полярный вихрь Сатурна имеет шестиугольную форму. Считается, что шестигранный шторм, покрывающий вершину северного полюса планеты, вызван взаимодействием меньших штормов с более крупными циклонами, которые находят своего рода равновесие в этой шестиугольной форме.

Ближе к дому находятся шестиугольные колонны, из которых состоит Дорога гигантов в Северной Ирландии. Их естественная форма связана с охлаждением этих структур, когда они еще были расплавленной лавой. Когда они остыли, первые трещины образовались под углом 90 градусов, но быстро развились до 120 градусов, что высвобождает больше энергии, создавая узоры, которые мы видим сегодня.

Наиболее узнаваемый шестиугольный узор — это, вероятно, узор снежинок, который в их шестиветвевых версиях возникает из-за угла в молекулах воды между атомом кислорода и атомами водорода. Однако это не просто шестиугольники, существует множество геометрических узоров, возникающих из небольших химических связей, которые в конечном итоге образуют большие сложные кристаллы. Пирит — красивый и чрезвычайно кубический пример этого.

«Молекулярные кристаллы формируются таким образом, потому что таким образом они минимизируют свою общую энергию», — сказал профессор Эндрю Кролл из Университета штата Северная Дакота. «Они просто лучше вписываются, как яйца в тележку для яиц. И они как бы закатываются в эти маленькие дырочки и сидят там».

Но Кролл подчеркивает, что существует множество способов создания структур в природе, даже таких вещей, которые на первый взгляд не выглядят так, как будто они вообще годятся для паттернов. Примером может служить тип молекулы, называемый блок-сополимером. Полимеры представляют собой длинные молекулярные цепи, состоящие из повторяющихся субъединиц. Они используются для изготовления пластика и часто могут располагаться в неупорядоченных слоях. 

Но в блок-сополимерах два или более полимера, которые отталкивают друг друга, связаны друг с другом, что создает некоторые интересные узоры. Два слоя одинаковой длины могут оказаться в структуре чередующихся слоев, но, изменяя длину, можно создавать структуры кривизны со знакомыми или менее знакомыми геометрическими узорами. И у них также могут быть удивительно общие приложения. 

«Что касается реального применения на рынке, я знаю, что для блок-сополимеров существуют такие вещи, как обувная резина. Итак, каучуки в вашей обуви, как правило, состоят из трехблочного сополимера, так что у вас может быть блок полистирола, затем большая эластичная цепь, а затем еще один блок полистирола», — объяснил Кролл. Другое применение включает абсорбирующий материал в подгузниках. 

Требуется компьютерный гений, чтобы увидеть закономерности в случайности

Существуют определенные естественные узоры, которые не следуют четким геометрическим правилам повторяющихся форм, но, тем не менее, они являются отличительными. Мы можем распознать полосы на тигре или зебре или пятна на леопарде как специфические природные узоры, даже если они не являются правильными геометрическими узорами. 

Эти паттерны названы паттернами Тьюринга в честь английского математического гения, отца области вычислительной техники, который в статье 1952 года под названием «Химические основы морфогенеза » выяснил, как структуры пятен и полос могут естественным образом формироваться без участия однородного и однородного тела. состояние.

«Когда вы думаете о пятнах на леопарде или о полосах на тигре, это узоры, в которых есть этот элемент, полоса или пятно, которые повторяются, но не повторяются идеально. Нет такой идеальной регулярности, которую можно получить, скажем, от шахматной доски. Но все еще есть эта форма, эта особенность, которая повторяется в пространстве», — сказал Бен Балас, профессор психологии в Университете штата Северная Дакота.

Работа Баласа сосредоточена на понимании того, как люди смотрят на эти и другие типы природных узоров и распознают их такими, какие они есть, что, по его словам, является «огромным вопросом». Он пытается понять не только то, можете ли вы отличить рисунок зебры от рисунка леопарда, но и то, является ли текстура гладкой или шероховатой, блестящей или матовой и т. д.

«В моей лаборатории мы много думаем об этой идее, которую мы называем сводной статистикой, — объяснил Балас. «Когда вы думаете о том, чтобы распознать что-то вроде лица или объекта, мы часто думаем об описаниях, которые очень заботятся о том, где именно были предметы на картинке. Для лица важно, что здесь есть глаз, здесь глаз, и нос, и рот. Текстуры отличаются, потому что они распределены по изображению. Неважно, где именно вы увидели пятно на леопарде. Важно, что вы видели пятна, разбросанные по всему изображению». 

Суммарная статистика — это скорее суть закономерности, а не специфики. Команда Баласа пытается измерить то, что делает паттерны отличительными, и использовать измеренные величины для создания новых паттернов, чтобы понять, как наш мозг относится к ним. 

Мы видим то, что видим, и то, что хотим видеть

Наша человеческая способность понимать текстуры и узоры играет важную роль с точки зрения выживания. Например, глядя на продукты, которые мы едим, от их блеска до колючести, мы можем быстро судить об их безопасности для употребления. 

«Наш мир состоит не только из случайных изображений. Есть эти закономерности в том, что мы видим. И сейчас мы понимаем, что существует множество способов адаптации зрительной системы человека к этим закономерностям», — сказал Балас.

Распознавание образов, вероятно, не раз спасало наших предков, и то, что им было нужно для выживания, мы теперь используем ежедневно намного больше, чем они могли мечтать.

«Наш мозг постоянно пытается осмыслить внешний мир. Один из способов, которым мозг достигает этой цели, — обнаружение и изучение паттернов, которые по сути являются статистическими закономерностями в окружающей среде, потому что эти паттерны помогают мозгу решить, как реагировать или вести себя, чтобы выжить», — говорит доктор Джесс Тауберт из Университета Квинсленда.

Но такой мощный инструмент для поиска закономерностей также можно обмануть, заставив видеть вещи, которых нет. Это зрительный феномен, известный как парейдолия. Один тип, с которым мы часто сталкиваемся, — это парейдолия лица, когда мы видим лица в неодушевленных предметах, таких как дома, камни и овощи.

«Причина, по которой мы считаем, что парейдолия лица настолько распространена, заключается в том, что наша зрительная система оптимизирована для распознавания лиц. Это потому, что знание того, когда люди рядом (и являются ли они друзьями или врагами), было так важно для нашего выживания как социальных приматов. Но побочным эффектом этой повышенной чувствительности к лицам является то, что мы иногда видим лица там, где их нет», — объяснил доктор Тауберт.

Природа богата узорами, от наноскопических до огромных небесных структур, и мы идеально подходим для того, чтобы оценить эти узоры. Но это наше превосходное умение также иногда бывает слишком хорошим, заставляя нас видеть закономерности, которых на самом деле нет.