Симметрия в природе

В живой природе огромное большинство живых организмов обнаруживает различные виды симметрий (формы, подобия, относительного расположения). Причем организмы разного анатомического строения могут иметь один и тот же тип внешней симметрии.

Внешняя симметрия может  выступить в качестве основания  классификации

организмов (сферическая, радиальная, осевая и т.д.) Микроорганизмы, живущие в условиях слабого воздействия гравитации, имеют ярко выраженную симметрию формы.

Асимметрия присутствует уже на уровне элементарных частиц и проявляется в абсолютном преобладании в нашей Вселенной частиц над античастицами. Известный физик Ф. Дайсон писал: "Открытия последних десятилетий в области физики элементарных частиц заставляют нас обратить особое внимание на концепцию нарушения симметрии. Развитие Вселенной с момента ее зарождения выглядит как непрерывная последовательность нарушений симметрии.

В момент своего возникновения  при грандиозном взрыве Вселенная  была

симметрична и однородна. По мере остывания в ней нарушается одна симметрия за другой, что создает возможности для существования все большего и большего разнообразия структур. Феномен жизни естественно вписывается в эту картину.

Жизнь - это тоже нарушение  симметрии"

Молекулярная асимметрия открыта Л. Пастером, который первым выделил "правые" и "левые" молекулы винной кислоты: правые молекулы похожи на правый винт, а левые - на левый. Такие молекулы химики называют стереоизомерами. Молекулыстереоизомеры имеют одинаковый атомный состав, одинаковые размеры, одинаковую структуру - в то же время они различимы, поскольку являются зеркально асимметричными, т.е. объект оказывается нетождественным со своим зеркальным двойником. 67 Поэтому здесь понятия "правый-левый" - условны.

В настоящее время хорошо известно, что молекулы органических веществ,

составляющие основу живой  материи, имеют асимметричный характер, т.е. в

состав живого вещества они  входят только либо как правые, либо как левые

молекулы. Таким образом, каждое вещество может входить в  состав живой материи только в том случае, если оно обладает вполне определенным типом симметрии.

Например, молекулы всех аминокислот  в любом живом организме могут  быть только левыми, сахара - только правыми.

Это свойство живого вещества и его продуктов жизнедеятельности  называют

дисимметрией. Оно имеет совершенно фундаментальный характер. Хотя правые и левые молекулы неразличимы по химическим свойствам, живая материя их не только различает, но и делает выбор. Она отбраковывает и не использует молекулы, не обладающие нужной ей структурой. Как это происходит, пока не ясно. Молекулы противоположной симметрии для нее яд. Если бы живое существо оказалось в условиях, когда вся пища была бы

составлена из молекул противоположной симметрии, не отвечающей дисимметрии этого организма, то оно погибло бы от голода. В неживом веществе правых и левых молекул поровну. Дисимметрия - единственное свойство, благодаря которому мы можем отличить вещество биогенного происхождения от неживого вещества.

Мы не можем ответить на вопрос, что такое жизнь, но имеем  способ отличить живое от неживого.

Таким образом, асимметрию можно  рассматривать как разграничительную  линию между живой и неживой природой. Для неживой материи характерно преобладание симметрии, при переходе от неживой к живой материи уже на микроуровне преобладает асимметрия. В живой природе асимметрию можно увидеть всюду. Очень удачно это подметил в романе "Жизнь и судьба" В. Гроссман: "В большом миллионе русских деревенских изб нет и не может быть двух неразличимо схожих.

Все живое неповторимо.

Симметрия лежит в основе вещей и явлений, выражая нечто  общее, свойственное разным объектам, тогда как асимметрия связана с индивидуальным воплощением этого общего в конкретном объекте. На принципе симметрии основан метод аналогий, предполагающий отыскание общих свойств в различных объектах. На основе аналогий создаются физические модели различных объектов и явлений.

Аналогии между процессами позволяют описывать их общими уравнениями.

 

 

СИММЕТРИЯ В МИРЕ РАСТЕНИЙ:

 

Специфика строения растений и животных определяется особенностями  среды обитания, к которой они приспосабливаются, особенностями их образа жизни. У любого дерева есть основание и вершина, "верх" и "низ", выполняющие разные функции. Значимость различия верхней и нижней частей, а также направление силы тяжести определяют вертикальную ориентацию поворотной оси "древесного конуса" и плоскостей симметрии.

Для листьев характерна зеркальная симметрия. Эта же симметрия встречается  и у цветов, однако у них зеркальная  симметрия чаще выступает в сочетании с поворотной симметрией. Нередки случаи и переносной симметрии (веточки акации, рябины). Интересно, что в цветочном мире наиболее распространена поворотная симметрия 5-го порядка, которая принципиально невозможна в периодических структурах неживой природы.

Этот факт академик Н. Белов  объясняет тем, что ось 5-го порядка -

своеобразный инструмент борьбы за существование, "страховка  против

окаменения, кристаллизации, первым шагом которой была бы их поимка решеткой" Действительно, живой организм не имеет кристаллического строения в том смысле, что даже отдельные его органы не обладают пространственной решеткой.

Однако упорядоченные  структуры в ней представлены очень широко.

    

	Соты- настоящий конструкторский шедевр. Они состоят из ряда шестигранных ячеек.
Это самая плотная упаковка, позволяющая наивыгоднейшим образом разместить в ячейке личинку и при максимально возможном объеме наиболее экономно использовать строительный материал-воск.
Листья на стебле расположены  не по прямой, а окружают ветку по спирали. Сумма всех предыдущих шагов спирали, начиная с вершины, равна величине последующего шага А+В=С, В+С=Д и т.д.
Расположение семянок  в головке подсолнуха или листьев  в побегах вьющихся растений соответствует  логарифмической спирали

 

СИММЕТРИЯ В МИРЕ НАСЕКОМЫХ, РЫБ, ПТИЦ, ЖИВОТНЫХ

Типы симметрии у животных

    

1-центральная	2-осевая	3-радиальная	4-билатеральная
5-двулучевая	6-поступательная (метамерия)		7-поступательно-вращательная

 

     Ось симметрии. Ось симметрии- это ось вращения. В этом случае у животных, как правило, отсутствует центр симметрии. Тогда вращение может происходить только вокруг оси. При этом ось чаще всего имеет разнокачественные полюса.

Например, у кишечнополостных, гидры или актинии, на одном полюсе расположен рот, на другом - подошва, которой эти неподвижные животные прикреплены к субстрату (рис.1, 2,3 ). Ось симметрии может совпадать морфологически с переднезадней осью тела.

 

 

Плоскость симметрии.

 

 Плоскость симметрии- это плоскость, проходящая через

ось симметрии, совпадающая  с ней и рассекающая тело на две зеркальные половины.

Эти половины, расположенные  друг против друга, называют антимерами

(anti – против; mer – часть). Например, у гидры плоскость симметрии должна

пройти через ротовое  отверстие и через подошву. Антимеры противоположных половин должны иметь равное число щупалец, расположенных вокруг рта гидры. У гидры можно провести несколько плоскостей симметрии, число которых будет кратно числу щупалец. У актиний с очень большим числом щупалец можно провести много

плоскостей симметрии. У  медузы с четырьмя   щупальцами на колоколе число плоскостей симметрии будет ограничено числом, кратным четырём. У гребневиков только две плоскости симметрии - глоточная и щупальцевая (рис.1, 5).

Наконец, у двусторонне-симметричных организмов только одна плоскость и только две зеркальные антимеры – соответственно правая и левая стороны животного (рис.1, 4,6,7 ).

 

Типы симметрии.

 

Известны всего два  основных типа симметрии – вращательная и поступательная. Кроме того, встречается модификация из совмещения этих двух основных типов симметрии – вращательно-поступательная симметрия.

 

 

Вращательная  симметрия.

 

Любой организм обладает вращательной симметрией.

Для вращательной симметрии  существенным характерным элементом  являются антимеры. Важно знать, при повороте на какой градус контуры тела совпадут с исходным положением. Минимальный градус совпадения контура имеет шар, вращающийся около центра симметрии. Максимальный градус поворота 360 ,когда при повороте на эту величину контуры тела совпадут.

Если тело вращается вокруг центра симметрии, то через центр  симметрии можно провести множество осей и плоскостей симметрии. Если тело вращается вокруг одной гетерополярной оси, то через эту ось можно провести столько плоскостей, сколько антимер имеет данное тело. В зависимости от этого условия говорят о вращательной симметрии определённого порядка. Например, у шестилучевых кораллов

будет вращательная симметрия  шестого порядка. У гребневиков  две плоскости симметрии, и они имеют симметрию второго порядка. Симметрию гребневиков также называют двулучевой (рис.1, 5 ).

Наконец, если организм имеет  только одну плоскость симметрии и соответственно две антимеры, то такую симметрию называют двусторонней или билатеральной (рис.1, 4 ). Лучеобразно отходят тонкие иглы. Это помогает простейшим «парить» в толще воды. Шарообразны и другие

представители простейших –  лучевики (радиолярии) и солнечники с лучевидными отростками-псевдоподиями.« Глядя на них, так и кажется, что эти кружевные сплетения – не часть живых существ, а тончайшие ювелирные изделия, предназначенные украшать наряды морских

 

 

Поступательная  симметрия.

 

 Для поступательной  симметрии характерным элементом являются метамеры (meta – один за другим; mer – часть). В этом случае части тела расположены не зеркально друг против друга, а последовательно друг за другом вдоль главной оси тела.

     Метамерия – одна из форм поступательной симметрии. Она особенно

ярко выражена у кольчатых червей, длинное тело которых состоит из большого числа почти одинаковых сегментов. Этот случай сегментации называют гомономной (рис.1, 6 ). У членистоногих животных число сегментов может быть относительно небольшим, но каждый сегмент несколько отличается от соседних или формой, или придатками ( грудные сегменты с ногами или крыльями, брюшные сегменты). Такую сегментацию называют гетерономной.

 

 

Вращательно-поступательная симметрия.

 

Этот тип симметрии  имеет ограниченное распространение в животном мире. Эта симметрия характерна тем, что при повороте на определённый угол часть тела немного проступает вперед и её размеры   каждый следующий логарифмически увеличивает на определённую величину.

Таким образом, происходит совмещение актов вращения и поступательного  движения.

Примером могут служить  спиральные камерные раковины фораминифер, а также спиральные камерные раковины некоторых головоногих моллюсков ( современный наутилус или ископаемые раковины аммонитов, рис. 1, 7 ). С некоторым условием к этой группе можно отнести также и некамерные спиральные раковины брюхоногих моллюсков.

Тип симметрии непременно входит в характеристику животных наряду с другими морфоэкологическими и физиологическими признаками, благодаря которым мы отличаем одни группы животных от других.

Всех животных  делят  на  одноклеточных и многоклеточных. Наличие форм симметрии прослеживается уже у простейших – одноклеточных (инфузории, амёбы).

Многоклеточные подразделяются на Лучистых и Двусторонне симметричных или Билатеральных. Значение формы симметрии для животного легко понять, если поставить её в связь с образом жизни, экологическими условиями. Если окружающая  животное среда со

всех сторон более или  менее однородна и животное равномерно соприкасается с нею всеми частями своей поверхности, то форма тела обычно шарообразна,  а повторяющиеся части располагаются по радиальным направлениям.

Шарообразны многие радиолярии, входящие в состав так называемого

планктона, т.е. совокупности организмов, взвешенных в толще воды и

неспособных к активному  плаванию; шарообразные камеры имеют  немногочисленные планктонные представители фораминифер ( простейшие, обитатели морей, морские раковинные амёбы. Фораминеферы заключены в раковинки разнообразной, причудливой формы. Раковинки обычно многокамерные, построенные из двуокиси кремния), причём от этих камер принцесс»,- так писал о радиоляриях П.Е.Васильковский. Лучевики - исключительно морские животные, ведущие планктонный образ жизни. Они«парят» в толще морской воды и идеально к этому приспособлены. Именно для этого «парения» служат иглы их скелета, увеличивающие площадь тела. Лучевики обладают минеральным сложно устроенным внутренним скелетом , который, с одной стороны, защищает тело простейшего, а с другой,  способствует «парению» в воде в результате увеличения поверхности путём образования многочисленных игл. От

тела во все стороны  отходят многочисленные нитевидные отростки-псевдоподии.

Солнечники, в общем походят на лучевиков, но встречаются преимущественно в пресных водах. Шаровидное тело солнечников посылает во все стороны многочисленные тонкие, нитевидные радиально расположенные псевдоподии , тело лишено минерального скелета. Такой тип симметрии называют равноосным, так как он характеризуется наличием многих одинаковых осей симметрии.