Научная статья на тему 'Самоорганизация паттернов на плавниках рыб'

Самоорганизация паттернов на плавниках рыб Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
91
34
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФРАКТАЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ / ПЛАВНИКИ РЫБ / ПАТТЕРНЫ / ДЕНДРИТНЫЙ ПОЛИМЕР / "ДЕРЕВО" ФИБОНАЧЧИ

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Годжаев Э.М., Кахраманов К.Ш., Алиева Ш.В., Гамзаева А.Ю., Джаббаров Р.М.

В представленной работе выявлено, что морфология поверхности чешуи и плавников рыб имеет фракталоподобный характер, расположение макроструктур близко к дендритным полимерам, отдельные фрагменты паттернов имеют гофрированный характер. Показано, что в формообразовании паттернов на поверхности плавников на макроуровне проявляются правила построения двоичных «деревьев» Фибоначчи.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Годжаев Э.М., Кахраманов К.Ш., Алиева Ш.В., Гамзаева А.Ю., Джаббаров Р.М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SELF-ORGANIZED PATTERNS ON FISH FINS

The present work reveals that the surface morphology of fish scales and fins has fractal nature, the macrostructures location close to the dendrite polymers, part of patterns fragments have corrugated character. It is shown that in the forming patterns on the fins surface at the macrolevel the rules for constructing binary Fibonacci "trees" are manifested.

Текст научной работы на тему «Самоорганизация паттернов на плавниках рыб»

УДК:530.1:51

САМООРГАНИЗАЦИЯ ПАТТЕРНОВ НА ПЛАВНИКАХ РЫБ

л о л

Э.М. Годжаев1, К.Ш. Кахраманов2, Ш.В. Алиева1, А.Ю. Гамзаева3, Р.М. Джаббаров1

1 Азербайджанский технический университет,

Азербайджан, г. Баку-А21073, пр. Г. дЖавида, 25, geldar-04@mail.ru

2 Научно-производственное объединение «Селен» НАН Азербайджана, Азербайджан, 370143, г. Баку, ул. Ф. Агаева, 14.

3 Гянджинский государственный университет, Азербайджан, AZ2000, г. Гянджа, Шах Исмаил Хатаи,187.

В представленной работе выявлено, что морфология поверхности чешуи и плавников рыб имеет фракталоподобный характер, расположение макроструктур близко к дендритным полимерам, отдельные фрагменты паттернов имеют гофрированный характер. Показано, что в формообразовании паттернов на поверхности плавников на макроуровне проявляются правила построения двоичных «деревьев» Фибоначчи. Ил.7. Библиогр. 6назв.

Ключевые слова: фрактальная поверхность; плавники рыб; паттерны; дендритный полимер; «дерево» Фибоначчи.

SELF-ORGANIZED PATTERNS ON FISH FINS

E.M. Godzhaev1, K.Sh. Kakhramanov2, Sh.V. Alieva1, A.Yu. Gamzaeva3, R.M. Dzhabbarov1

Azerbaijan Technical University,

25, G.Javid Ave., Baku, AZ1073, Azerbaijan, geldar-04@mail.ru

2 Scientific-Production Association "Selen" Azerbaijan Academy of Sciences, 14, F. Agayev St., Baku, 370143, Azerbaijan.

3 Ganja State University,

187, Shah Ismail Khatai, Ganja, AZ2000, Azerbaijan.

The present work reveals that the surface morphology of fish scales and fins has fractal nature, the macrostructures location close to the dendrite polymers, part of patterns fragments have corrugated character. It is shown that in the forming patterns on the fins surface at the macrolevel the rules for constructing binary Fibonacci "trees" are manifested. 7 figure. 6 sources.

Key words: fractal surface; fish fins; patterns of dendrite polymers; Fibonacci "tree".

ВВЕДЕНИЕ

Изучение распределения массы и формы на поверхности чешуй и плавников рыб представляет особый интерес. Здесь необходимо выявить идентичность паттернов, играющих определенные функции в жизнедеятельности живых организмов, в том числе и у всех рыб.

Изучение методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) морфологии чешуек и плавников рыб внесло бы определенную ясность в распределении паттернов.

Анализ морфологии почти всех частей поверхности рыб показал, что структура их носит фрактальный характер. Об этом свидетель-

ствуют почти все морфологические особенности упорядоченных поверхностных каналов рыб [1-4,6].

Целью работы явилось выявление морфологических особенностей природы поверхностных структур плавников и чешуек рыб методом оптической и атомно-силовой микроскопии.

ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО ОБСУЖДЕНИЕ

Для исследований был использован атом-но-силовой микроскоп марки Solver Next. В этом устройстве поверхность образца зондируется острой иглой длиной 1-2 мкм и диаметром

Рис.1. Морфология верхнего плавника кутума: вертикальными стрелками (снизу) отмечены корни паттернов; вертикальными стрелками (сверху) показаны разветвленные терминальные функциональные группы (без увеличения)

обычно не более 10 нм.

В качестве образцов были исследованы самоорганизованные структуры поверхности рыб.

Плавники содержат в своем составе макромолекулы, имеющие линейную или разветвленную структуру. Граф разветвленной макромолекулы представляет собой «дерево». Отметим, что макромолекулы в виде графа представляют собой вершины с повторяющимися единицами, а ребрами — соединяющие их химические связи. Тогда различные макромолекулы могут быть представлены линейным графом, поэтому они называются линейными. Макромолекулы, которым отвечает граф в виде дерева, называются разветвленными. В статистически разветвленных полимерах ствол дерева не всегда удается указать однозначно, а в звездах понятие ствола вообще лишено смысла. Аморфными областями плавника рыб являются участки между ребрами (указаны красными стрелками на рис.1 и 2). Рассмотренные снимки (см. рис. 1 и 2) поверхности плавника карпа имеют ряд особенностей, напоминающих кристаллическое состояние полимеров [1,4]. Оно заключается в том, что в отличие от низкомолекулярных веществ полимеры никогда не кристаллизуются нацело. В них, наряду с кристаллитами (размер их несколько мк), сохраняются аморфные области. Поэтому по структуре плавники рыб (см. рис.1 и 2) можно отнести к аморфно-кристаллическим. Объемное содержание кристаллических областей (области 1 на рис. 2) можно назвать степенью кристалличности. Морфология поверхностных структур и тип агрегации биологических объектов формирова-

лась в течение длительного времени в водной среде с заложенными в них генами. При этом природные процессы привели к самоорганизованным особым классам полимерных композитов.

По данным [1,4] в кристаллитах блочных образцов некоторые области имеют складчатую конфирмацию. Другая часть их проходит из кристаллита в кристаллит, связывая их друг с другом. Проходные цепи и области, складываясь, образуют аморфную часть сферолитов. Такие схожие макроструктуры (см. рис. 2-4) отмечены проходными областями (выделены стрелками 1) на плавниках рыб. На этих фотографиях видны ориентированные образования волокон, образующие выраженную текстуру, между которыми расположены аморфные образования плавников. Наиболее подходящей моделью для описания морфологии поверхности рыб были использованы структуры «деревьев», сформированные на основе закона Фибоначчи [3]. На рис. 4. дано АСМ-изобра-жение ствола паттерна в 2Д-масштабе. Из рис. 4 видно, что ствол имеет наноразмерность в пределах 100-200 нм.

Изучив состояния природных областей, которые могут быть аморфными, и их физические особенности, можно внести коррективы в обсуждаемые нами полимерные структуры, полученные искусственно. Поскольку всякое структурное превращение в аморфном состоянии требует времени, что проявляется, как ранее упоминалось, в релаксационных явлениях, многие свойства аморфных полимерных тел очень чувствительны к скорости внешних воздействий, а также к температуре. Так, высокоэлас-

Рис. 2. Пример ориентированных биополимеров в живом мире (на примере кутума): вертикальные стрелки (снизу) показывают ориентированные стволы; верхняя стрелка показывает ось ориентации плоскости стволов, нижние стрелки показывают стволы дендримеров, горизонтальной стрелкой обозначена аморфная область плавника; а - без увеличения; б - увеличения в 2 раза; в - увеличения в 4 раза; г - увеличения в 10 раз

паттерны

ядра

Рис.3. Морфология поверхности плавника кутума. Согласно [4] данную регулярную структуру можно рассматривать в соответствии с химическим графом; их можно также как и в [4] считать дендритным «деревом» в макромасштабе или деревьями Фибоначчи с высотой равной четырем. Обозначения: 1-3 - паттерны, нижними стрелками указаны корни паттернов

1 2 1 4 S i «га 1 2 I 4 s f ига

Рис. 4. Продольное сечение АСМ- изображения в 2й-масштабе поверхности ствола кутума: размеры пор колеблются в пределах ~ 80 нм, максимальные высоты структур в пределах ~ 100 нм

Рис. 5. Фрагменты АСМ изображений в 2й-масштабе отдельных веток (дендронов) головных плавников кутума. Скан: 5 • 5 мкм. Выделенная справа часть иметь ширину ~ 500 нм. На рис. 6. дано её АСМ-изображение в 3й-масштабе

тичный линейный полимер ведет себя как стеклообразный при достаточно высоких скоростях деформаций, что проявляет себя в морфологии поверхности (см. рис. 5 и 6). Полимеры в аморфном состоянии являются упруго-вязкими телами при линейном строении их макромолекул и вязкоупругими телами при образовании прочной пространственной структуры, что и проявляется в морфологии плавников рыб (карпа). Всякое воздействие, влияющее на по-

движность частиц в аморфных телах (например, изменение температуры или внешнего давления, структурные превращения), отражается также и на таких физических свойствах, как, например, диэлектрические свойства. Все это проявляется и наблюдается на поверхности и плавников рыб (на примере кутума). Все изображения свидетельствуют о наноразмер-ном характере всех частей плавников, в том числе и их аморфных частей. Данные на рис. 5

Рис. 6. АСМ-изображение в 3й-масштабе плавника кутума. В середине отмечена (кругом) область сужения ствола. Полосы ветвей отмечены вертикальными стрелками. Эти гофрированные структуры в живых существах аналогичны гофрам в неживых материалах (см. рис. 7 для системы [Б12Те3-Зе]-[5])

Рис. 7. АСМ- изображение в 3й-масштабе гофрированной структуры Bi2Te3-Cu: вертикальными стрелками выделены отдельные гофры, белой длинной стрелкой показано направление роста кристалла, совпадающего с продольным направлением роста структур. Температура отжига 700 К в течении 5 ч [5]

и 6 АСМ-изображения поверхности сформировались благодаря упруго-напряженному характеру подобно изображениям данным на рис. 7 [5]. На основе анализа изображений морфоло-

гии различных типов объектов (тонких пленок, межслоевых нанообъектов в слоистых кристаллах) со снимками поверхностей плавников рыб может быть принята схема механизм деформа-

ции системы «пленка-подложка» (а также системы: поверхность (0001) A2VB3 -наноструктуры) под действием сжимающих напряжений [5]. Во всех случаях формируются гофрированные структуры (сравни рис. 5, 6 с рис. 7).

ВЫВОДЫ:

1. Исследованиями морфологии микрорельефа поверхности плавников рыб выявлено, что их самоорганизованные природные структуры представляют собой класс полимерных

композиционных материалов, подобных структурам «деревьев» Фибоначчи.

2. Выявлено, что эти образования имеют форму плоских бинарных кустов, последовательно формирующие структуру плавников-паттернов. Стволы плавников сформированы из паттернов, соединенных аморфными пленками. Паттерны закреплены корнями на скелете рыбы, придающем им высокую пластичность и подвижность при выполнении определенных двигательных функций.

1. Багатых Б.А., Фрактальные структуры живого и эволюционный процесс // Журнал общей биологии. 2006. Том 67, № 4 (июль-август). С. 243-255.

2. Годжаев Э.М., Кахраманов К.Ш., Алиева Ш.В., Нагиев А.Б. Квазифрактальная поверхность чешуи рыб // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2014. № 1(6). С. 56-61.

3. Евстигнеев В.А. Применение теории графов в программировании. М. : Наука,1985. 352 с.

ЖИЙ СПИСОК

4. Семчиков Ю.Д Дендримеры - новый класс полимеров // Соросовский общеобразовательный журнал. 1998. № 12. С. 45-51.

5. Шугуров А.Р., Панин А.В. Механизмы периодической деформации системы «пленка-положка под действием сжимающих напряжений // Физическая мезомеханика. 2009. 12 (3). С. 23-32.

6. Godzhaev E.M., Abasov A.A., Aliyeva Sh.V., Charuxcev D.A. The surface fractal structure of fish scales // Open Journal of Inorganic Non- Metallic Materials. 2014. № 4. P. 7-11.

REFERENCES

1. Bagatykh B.A. Fraktal'nye struktury zhivogo i evolyutsionnyi protsess [Fractal structures in living beings and the evolutionary process]. Zhurnal obshchei biologii - Journal of General Byology, 2006, vol. 67, no. 4, pp. 243-255.

2. Gojaev E.M., Kahramanov K.Sh., Alieva Sh.V., Nagiev A.B. Quasifractal Surface of Fish Scales. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya - Proceedings of Higher School. Applied Chemistry and Biotechnology, 2014, no. 1(6), pp. 56-61.

3. Evstigneev V.A. Primenenie teorii grafov v programmirovanii [Application of graph theory in programming]. Moscow, Nauka Publ., 1985, 352 p.

4. Semchikov Yu.D. Dendrimery-novyi klass

polimerov [Dendrimers - a new class of polymers]. Sorosovskii obrazovatel'nyi zhurnal - Soros Educational Journal,1998, no.12, pp.45-51.

5. Shugurov A.R., Panin A.V. Mekhanizmy periodicheskoi deformatsii sistemy «plenka-polozhka pod deistviem szhimayushchikh napryazhenii [Mechanisms of periodic deformation of the film - substrate system under compressive stresses] Fizicheskaya mezomekhanika - Physical Meso-mechanics, 2009, vol. 12, no. 3, pp. 23-32.

6. Godzhaev E., Abasov A., Aliyeva Sh., Charuxcev D. The surface fractal structure of fish scales. Open Journal of Inorganic Non-Metallic Materials, 2014, no. 4, pp.7—11.

Статья поступила в редакцию 10.06.2014 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.