自然界中经常出现图案的原因很简单：许多有图案的物质和有机体在形成时都会发生相同的基本物理或化学过程。无论是在植物和动物还是岩石、泡沫和冰晶中，自然界中发生的复杂模式都归结为原子和分子水平上发生的事情。
自然界中的图案是任何有规律地重复排列的形状或颜色。一些最引人注目的例子包括英国巨人堤道的六边形岩石阵列、罗马花椰菜上美丽的小花分形排列以及热带鱼身上的彩色条纹和斑点。
当材料经历干燥、冷冻、起皱、扩散和反应等过程时，此类图案开始小规模形成。然后，这些变化会产生人们可以看到的更大规模的复杂模式。
冰和岩石中的图案
想象在寒冷的日子里，窗玻璃上精致的冰冻晶体。是什么创造了这种模式？
当水结冰时，它的分子开始聚集在一起。水分子具有特殊的弯曲形状，这使得它们在冻结时会堆积成六边形的簇。
随着集群的增长，许多外部因素，包括湿度和温度，开始影响其整体形状。例如，如果窗玻璃上的水结冰，则玻璃表面上的小而随机的缺陷会重定向堆叠并形成更大的图案。
堆积分子的相同过程是造成雪花形状惊人变化的原因。
巨人堤道玄武岩柱的惊人图案怎么样？这些形成于万至万年前，当时熔岩——来自地下深处的热岩石流体——上升到地球表面并开始失去热量。冷却导致玄武岩顶层收缩。更深、更热的层抵抗了这种拉力，在顶层产生了裂缝。
随着熔岩冷却，裂缝越来越深地蔓延到岩石中。玄武岩的特殊分子特性，以及材料如何断裂的基本物理学——地球上所有物质都普遍适用的物理定律——导致裂缝以特定角度相互相遇，形成六边形，就像堆积的水一样分子。
最终，冷却的玄武岩闯入了六边形的岩石柱，几百万年后仍然形成了如此令人印象深刻的图案。
动物的图案
在生物体中创建复杂模式也始于分子水平的简单机制。一种重要的图案制作过程涉及扩散化学物质相互反应的方式。
想象一滴食用色素如何在一杯水中扩散——这就是扩散。
在水中扩散不同阶段的蓝色染料滴年，英国数学家艾伦·图灵表明，像这样的化学物质在另一种化学物质中的扩散会导致自然界中各种模式的形成。
科学家们已经证明，这个过程再现了豹斑、斑马条纹和许多其他动物标记的图案。
老虎的条纹可以帮助它与周围环境融为一体——使猎物更难看到是什么。
让这些标记代代相传？随着动物物种的进化，这些化学反应也随之进化，并成为它们遗传密码的一部分。这可能是因为这些标记帮助他们生存。例如，在森林或草原狩猎时，老虎的条纹会伪装它，使其更容易出其不意地捕捉猎物。
然而，研究人员仍在研究涉及哪些特定化学物质的细节。
科学家们并不总是知道一种模式的目的，或者即使有一个模式。所涉及的分子过程非常简单，它们可能会巧合地产生一种模式。
例如，在我的研究小组研究植物花粉粒的工作中，我们看到了各种各样的图案，包括尖刺、条纹等等。
向日葵、牵牛花、草原蜀葵、东方百合、月见草和蓖麻等各种常见植物的花粉粒——在这张图片中放大了倍并着色——显示出错综复杂的图案。
达特茅斯电子显微镜设备我们还不明白为什么植物会产生一种特定的花粉模式而不是另一种。无论这种模式和自然界中的其他模式的最终用途是什么，它们的多样性、复杂性和秩序都是惊人的。