北アイルランドのジャイアンツ コーズウェイは、完全な水平断面で露出した約 40,000 個の玄武岩の多角形柱を特徴としています。
[公開日: 2022 年 9 月 19 日午後 10 時 23 分、AEST]
[質問] サロニ G.、16 歳、アルワル、ラージャスターン州、インド
[答えてくれる先生] Maxim Lavrentovich
マキシム・ラヴレントヴィッチ 博士
米国、テネシー大学 理論生物物理学 助教授
パターンがしばしば自然界に現れる理由は単純です。同じ基本的な物理的または化学的プロセスが、多くのパターン化された物質や生物が形成されるときに発生します。植物や動物、石、泡、氷の結晶など、自然界で起こる複雑なパターンは、原子や分子のレベルで起こっていることに行き着きます。
自然界のパターンとは、規則的に繰り返される形や色の配置です。最も印象的な例としては、英国のジャイアンツ コーズウェイにある六角形の岩の配列や、ロマネスコ ブロッコリーの花の美しいフラクタル配置、熱帯魚のカラフルな縞模様や斑点などがあります。
ロマネスコ ブロッコリーの房の各つぼみは、一連の小さなつぼみで構成され、一貫したらせん状のパターンで配置されています。
このようなパターンは、材料が乾燥、凍結、しわ、拡散、反応などのプロセスを経る際に、小さなスケールで形成され始めます。これらの変化は、人々が見ることができるより大きなスケールで複雑なパターンを生み出します。
氷と岩のパターン
寒い日に窓ガラスに凍った繊細な結晶を想像してみてください。そのパターンを作成するものは何でしょうか？
水が凍ると、その分子が集まり始めます。水分子は特定の曲がった形状をしており、凍結すると六角形のような形のクラスターに積み重なります。
クラスターが成長するにつれて、湿度や温度など、多くの外的要因がクラスター全体の形状に影響を与え始めます。たとえば、窓ガラスで水が凍っている場合、ガラス表面の小さなランダムな欠陥が積み重ねをリダイレクトし、より大きなパターンを作成します。
ノルウェーの古い窓の氷の結晶。
分子を積み重ねるこの同じプロセスが、驚くほど多様な雪片の形状の原因となっています。
ジャイアンツ・コーズウェイの玄武岩柱の驚くべきパターンはどうでしょうか? これらは 5000 万年から 6000 万年前に、溶岩 (地下深くからの熱い岩の液体) が地表に上昇し、熱を失い始めたときに形成されました。冷却により、玄武岩の最上層が収縮しました。より深く、熱い層がこの引っ張りに抵抗し、最上層に亀裂が生じました。
溶岩が冷えるにつれて、亀裂は岩の奥深くまで広がっていきました。玄武岩の特定の分子特性、および材料がどのように分解されるかの基本的な物理学 (地球上のすべての物質に普遍的な物理法則) により、亀裂が特定の角度で互いに出会い、水の分子が氷になって積み重なったように六角形が作成されました。
最終的に、冷却された玄武岩が六角形の岩柱に分かれ、何百万年も経った今でもそのような印象的なパターンを作り出しています。
動物におけるパターン
生物の複雑なパターンの作成も、分子レベルの単純なメカニズムから始まります。重要なパターン作成プロセスの 1 つは、拡散する化学物質が互いに反応する方法を含みます。
1滴の食用着色料がコップ一杯の水に広がる様子を想像してみてください。これが拡散です。
水中での拡散のさまざまな段階にある青色染料の滴。
1952年、英国の数学者アラン・チューリングは、このように化学物質が別の化学物質内に拡散すると、自然界にあらゆる種類のパターンが形成される可能性があることを示しました。
科学者たちは、このプロセスがヒョウの斑点、シマウマの縞模様、および他の多くの動物の模様のパターンを再現することを証明しました。
虎の縞模様は、周囲の環境に溶け込み、獲物が見つけにくくするのに役立ちます。
これらのマーキングが世代から世代まで一貫しているのはなぜでしょうか? 動物種が進化するにつれて、これらの化学反応は進化し、遺伝暗号の一部になりました。これは、マーキングが生き残るのに役立ったためかもしれません。たとえば、トラの縞模様は、森や草原で狩りをしているときにトラをカモフラージュし、獲物を驚かせて捕まえやすくします。
しかし、研究者はまだどの特定の化学物質が関与しているかの詳細を調べています。
科学者は、パターンの目的を常に知っているわけではありません。関連する分子プロセスは非常に単純であるため、偶然にもパターンが生成される可能性があります。
たとえば、植物の花粉粒を研究している私の研究チームの研究では、スパイク、ストライプなど、非常に多様なパターンが見られました。
ヒマワリ、アサガオ、セイヨウタチアオイ、オリエンタル ユリ、月見草、トウゴマなどのさまざまな一般的な植物の花粉粒 (この画像では 500 倍に拡大し、カラー化しています) は、複雑なパターンを示しています。
植物が特定の花粉パターンを生成する理由はまだわかっていません。 このパターンや自然界の他のパターンの究極の用途が何であれ、その多様性、複雑さ、秩序には驚くべきものがあります。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversationと各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は、archive for kidsの翻訳責任で行われています。Webサイトでオリジナルの記事を読めます。
