Minerały i rośliny wykazują czasem uderzające podobieństwo zewnętrzne, co w przeszłości skłaniało przyrodników do nieuzasadnionych racjonalnie szerokich uogólnień. Niemiecki uczony Johann Friedrich Henkel (1679-1744), nauczyciel młodego Michała Łomonosowa, napisał esej pt. „Saturniańska flora. O pokrewieństwie roślin z królestwem minerałów”. Twierdził, że między roślinnym i kamiennym królestwem istnieje pierwotny związek, że rośliny naśladują podziemne żyły minerałów, a minerały wyrastają na podobieństwo roślin.
Takie pomysły najwyraźniej nie były też obce Linneuszowi, kiedy próbował rozszerzyć na minerały zasady swojej dwuczęściowej nomenklatury i przypisywał kryształom „ojcowskie i matczyne początki”. Z kolei zdecydowany sprzeciw wobec takich poglądów wyraził Johann Wolfgang von Goethe, nie tylko wybitny poeta, ale również uczony, który w 1789 roku opublikował apel do kolegów ”O krystalizacji i wzroście”. Przesadą byłoby jednak traktowanie tego jako prawdziwej dyskusji naukowej, a próby przedstawiania niektórych form mineralnych jako przejściowych w stosunku do roślin, zdarzały się aż do końca XIX wieku.
Minerały podobne do roślin
Jaki był powód, aby szukać i znajdować zbieżność między „zimnym” minerałem i żywym organizmem, obiektami tradycyjnie wzajemnie przeciwstawnymi? Tworząc w 1741 roku „Katalog kamieni i skamieniałości” dla działu mineralogicznego Akademii Nauk, Michał Łomonosow włączył do niego opisy „żelaznych kwiatów” miedzi i srebra, wyglądających jak drzewa. Dzisiaj tak właśnie określa się podobne twory mineralne, tyle tylko, że zgodnie z tradycyjną naukową nomenklaturą na wzór grecki: „dendryty” od greckiego słowa dendron oznaczającego „drzewo”.
Dlaczego kryształy minerałów przybierają taki oryginalny kształt, naprawdę przypominający rośliny, a niektóre dendryty wyglądają zupełnie jak skamieniałe paprocie? Najkrótsza i bardzo ogólna odpowiedź na pytanie dlaczego kryształy rosną, brzmi: bo tak nakazuje prawo natury, a konkretnie druga zasada termodynamiki. Procesy zachodzące w układzie „rosnący kryształ i ośrodek, który go zasila” są zgodne z prawami fizyki i przebiegają w kierunku zapewniającym spadek energii swobodnej, czyli tej części energii układu, która jest zdolna do wykonania pracy. Jest to w tym przypadku energia nieskompensowanych wiązań chemicznych cząstek substancji krystalizującej, które poruszają się swobodnie i chaotycznie w roztworze, stopie lub mieszaninie gazowej. Część tej energii jest zużywana na dostarczanie cząstek do rosnącego kryształu, a reszta przekształca się w ciepło i rozprasza. Kryształ rośnie w takim tempie, w jakim zmniejsza się swobodna energia układu.
Trzeba zwrócić uwagę na ważny szczegół: wolne wiązania nadal pozostają na powierzchni kryształów, ponieważ są kompensowane tylko od wewnątrz. Powierzchnia kryształu jest więc również nośnikiem energii, a wokół niego tworzy się pole siłowe, przejmujące „mechanikę” rozrastania się. Wzrost kryształu oznacza zwiększanie jego powierzchni, a tym samym energii swobodnej. Ta powierzchnia musi jednak również podlegać ogólnym prawom, a to oznacza, że kryształ zwiększając swoją masę, musi zarazem dążyć do jak najbardziej zwartej formy. Dla danej masy kryształu powierzchnia musi być jak najmniejsza. Można by pomyśleć, że w takim razie wszystkie kryształy określonego minerału powinny mieć taką właśnie zrównoważoną postać.
Dla takich krystalicznych tworów jak „drzewa” w ramach idealnej krystalizacji w ogóle nie ma miejsca. Ich kształt jest daleki od wzorcowego i nie odpowiada idei równowagi. Czyżby więc dendryty powstawały „poza prawem”? Rzeczywistość odbiega jednak często od teorii: każdy wie, że dowolny minerał spotykany jest w różnych formach krystalicznych, a nie tylko w jednej idealnej.
Zasada jest słuszna: układ dąży do określonego stanu, ale nie znaczy to, że zawsze ten idealny stan osiąga. Kryształ minerału byłby idealny i uzyskałby stan równowagi, gdyby rósł w nieskończoność w warunkach idealnych. A skoro tak się nie dzieje, wszystkie rzeczywiste kryształy nie są zrównoważone. Zachodzące w rzeczywistych warunkach procesy krystalizacji są zakończone, ale pod względem energetycznym pozostają niekompletne. Powiązanie stanu energetycznego z formą jest bardziej zauważalne w początkowej fazie wzrostu, kiedy masa kryształu jest jeszcze niewielka. Małe kryształy są z reguły bardziej doskonałe od dużych.
Im dalej od stanu równowagi, tym bardziej układ jest tolerancyjny wobec formy kryształu. Można obrazowo powiedzieć, że w takich warunkach kryształ ma tendencję do szybkiego nabierania masy, nie dbając zbytnio o wygląd. I to jest dla nas okoliczność bardzo pozytywna, ponieważ daje początek nieskończonej różnorodności form naturalnych kryształów, a poza tym dostarcza im indywidualnych cech, osobistych znaków pochodzenia. Bogactwo naturalnych form kryształów, to przede wszystkim rozmaitość odchyleń od stanu równowagi i bogactwo niedoskonałości. Idealny kryształ jest tylko jeden, wśród niedoskonałych można wybierać do woli.
Dlaczego kryształy rosną jak drzewa?
Dendryty powstają z szybkiej krystalizacji minerałów z roztworów wnikających w drobne pęknięcia w skale lub płaszczyzny międzyławicowe. Kryształowe drzewa zazwyczaj tworzą tlenki lub wodorotlenki manganu i żelaza i wtedy mają ciemne barwy, ale zdarzają się też dendryty zbudowane z innych substancji.
Roztwór zasilający wzrost skupiska drobnych kryształów w formie dendrytu wnika w szczelinę i odżywia kryształy. Proces przebiega szybciej tam, gdzie znajduje się świeży roztwór. Gdyby można było to zjawisko obserwować, dałoby się zauważyć, że kryształ bierze sprawy we własne ręce: sam szuka dla siebie pożywienia. Omijając przeszkody, wnikając w szczeliny między ziarnami skały macierzystej, rozrasta się oddzielnymi gałęziami, a każda z nich dąży do rozwoju w kierunku mocniejszego roztworu, z dala od konkurujących sąsiednich odgałęzień.
Wbrew zasadzie minimalizacji, powierzchnia kryształu mocno się powiększa, ale dzięki temu cel, czyli krystalizacja roztworu, zostaje osiągnięty w krótszym czasie. Tak powstaje dendryt. Cena energetyczna kompromisu nie jest wysoka: to drobny dodatek, który można by uzyskać czekając na osiągnięcie stanu równowagi. Ale prawdą jest, że zrobić można to tylko teoretycznie. Tak właśnie rosną i drzewa i krzewy, a ich gałęzie również rosną w różnych kierunkach, dążąc do źródeł pokarmu – światła i powietrza. Można zrozumieć Johanna Henkel’a, który dostrzegał podobieństwo między minerałami i roślinami. I nie tylko zewnętrzne podobieństwo, ale również zdolność przystosowania się do konkretnych warunków.
Dendryty bywają dwuwymiarowe i trójwymiarowe. Dwuwymiarowe wyrastają na powierzchni wąskich szczelin w skałach. Trójwymiarowe dendryty rosną natomiast w otwartych przestrzeniach skalnych.
