Nauka za wzorami natury

Zwijanie się ogona kameleona, spirala łuski szyszki i zmarszczki tworzone przez poruszające się ziarenka piasku mają moc przyciągania wzroku i intrygowania umysłu. Kiedy Charles Darwin po raz pierwszy zaproponował teorię ewolucji poprzez dobór naturalny w 1859 r., Zachęcił entuzjastów nauki do znalezienia przyczyn naturalnych wzorów obserwowanych u zwierząt lądowych, ptaków powietrznych i stworzeń morskich. Pawie upierzenie, miejsca rekina muszą służyć jakimś adaptacyjnym celom, z niecierpliwością przypuszczali.

Jednak jedna osoba widziała to wszystko jako „niekontrolowany entuzjazm”, pisze angielski naukowiec i pisarz Philip Ball w swojej nowej książce Patterns in Nature: Dlaczego świat naturalny wygląda tak, jak to robi . Szkocki zoolog D'Arcy Wentworth Thompson został zmuszony do opublikowania własnego traktatu w 1917 roku, wyjaśniając, że nawet kreatywność natury jest ograniczona przez prawa generowane przez siły fizyczne i chemiczne. Pomysły Thompsona nie kolidowały z teorią Darwina, ale wskazywały, że w grę wchodzą inne czynniki. Podczas gdy dobór naturalny może wyjaśnić, dlaczego paski tygrysa - strategia wtapiania się w cienie na łąkach i w lesie - sposób, w jaki chemikalia dyfundują przez rozwijającą się tkankę, może wyjaśnić, jak pigment kończy się w pasmach ciemności i światła, a także dlaczego podobne wzory mogą pojawiać się na morskim anemonie.

Ball we wzorach w naturze Ball przedstawia swoje doświadczenie jako fizyk i chemik, a także ponad 20 lat doświadczenia jako redaktor czasopisma naukowego Nature . Jego pierwsza książka, opublikowana w 1999 r. ( The Self-Made Tapestry ), oraz trylogia, opublikowana w 2009 r. ( Nature's Patterns: Shapes, Flow, Branch ), badają temat naturalnych wzorów, ale żadna z nich nie ma tak bogatej grafiki jak jego najnowsza.

Wzory w naturze: dlaczego świat naturalny wygląda tak, jak wygląda

Ball wyjaśnia, że ​​żywe fotografie w książce są niezwykle ważne, ponieważ niektóre wzory można w pełni docenić tylko poprzez powtórzenie. „Kiedy widzisz kilka z nich w chwalebnych szczegółach, zaczynasz rozumieć, jak natura bierze temat i biegnie z nim” - mówi.

Wyjaśnienia Oferty Ball są proste i pełne wdzięku, tak jak wtedy, gdy wyjaśnia, jak namoczony kawałek ziemi może wyschnąć w popękanym krajobrazie. „Sucha warstwa na powierzchni próbuje się skurczyć w stosunku do jeszcze wilgotnej warstwy poniżej, a ziemia staje się napięta napięciem” - pisze.

Jednak oferuje także wystarczająco dużo szczegółów, aby zaintrygować zarówno naukowców, jak i artystów. Oszałamiające fotografie zostały opracowane przez projektantów z Marshall Editions, wydawcy z Quarto Group w Londynie, które wydało licencję na tę książkę na University of Chicago Press.

Ball rozmawiał z Smithsonian.com o swojej książce i inspiracjach.

Czym dokładnie jest wzór?

Celowo zostawiłem to trochę dwuznacznie w książce, ponieważ wydaje się, że znamy ją, kiedy ją widzimy. Tradycyjnie myślimy o wzorach jako czymś, co powtarza się w przestrzeni w identyczny sposób, podobnie jak wzór tapety. Ale wiele wzorów, które widzimy w naturze, nie jest takich. Wyczuwamy, że jest w nich coś regularnego, a przynajmniej nie losowego, ale to nie znaczy, że wszystkie elementy są identyczne. Myślę, że bardzo znanym tego przykładem byłyby paski zebry. Każdy może rozpoznać to jako wzór, ale żaden pasek nie jest podobny do żadnego innego paska.

Myślę, że możemy uzasadnić stwierdzenie, że wszystko, co nie jest wyłącznie przypadkowe, ma w sobie pewien wzorzec. W tym systemie musi być coś, co odciągnęło go od tej czystej przypadkowości lub, przeciwnie, od czystej jednorodności.

Dlaczego zdecydowałeś się napisać książkę o naturalnych wzorach?

Początkowo było to wynikiem bycia redaktorem w Nature . Tam zacząłem widzieć dużo pracy w tym czasopiśmie - i szerzej w literaturze naukowej - na ten temat. Uderzyło mnie to, że jest to temat, który nie ma żadnych naturalnych granic dyscyplinarnych. Ludzie zainteresowani tego rodzaju pytaniami mogą być biologami, matematykami, fizykami lub chemikami. To mi się spodobało. Zawsze lubiłem przedmioty, które nie szanują tych tradycyjnych granic.

Ale myślę, że to również były elementy wizualne. Wzory są tak uderzające, piękne i niezwykłe.

U podstaw tego aspektu leży zatem pytanie: w jaki sposób natura bez żadnego planu lub projektu łączy takie wzory? Kiedy tworzymy wzory, dzieje się tak, ponieważ zaplanowaliśmy to w ten sposób, umieszczając elementy na miejscu. W naturze nie ma planisty, ale siły natury w jakiś sposób spiskują, by stworzyć coś, co wygląda całkiem pięknie.

Czy masz ulubiony przykład wzoru znalezionego w naturze?

Być może jednym z najbardziej znanych, ale naprawdę jednym z najbardziej niezwykłych jest wzór płatka śniegu. Wszystkie mają ten sam motyw - ta sześciokrotna, sześciokątna symetria, a jednak wydaje się, że w tych płatkach śniegu jest nieskończona różnorodność. To taki prosty proces, który wchodzi w ich tworzenie. To para wodna marznąca z wilgotnego powietrza. Nie ma w tym nic więcej, ale jakoś tworzy ten niezwykle skomplikowany, szczegółowy, piękny wzór.

Kolejnym systemem, który pojawia się wielokrotnie w różnych miejscach, zarówno w świecie żywym, jak i nieożywionym, jest wzór, który nazywamy strukturami Turinga. Nazwano je od Alana Turinga, matematyka, który położył podwaliny pod teorię obliczeń. Był bardzo zainteresowany tym, jak powstają wzory. W szczególności interesowało go, jak to się dzieje w zapłodnionym jaju, które jest w zasadzie kulistą komórką, która w jakiś sposób zostaje uformowana w coś tak skomplikowanego jak człowiek, gdy rośnie i dzieli się.

Turing wymyślił teorię, która była w zasadzie wyjaśnieniem, w jaki sposób cała masa chemikaliów, które po prostu unoszą się w przestrzeni, mogą oddziaływać, tworząc różnice między poszczególnymi częściami przestrzeni. W ten sposób pojawią się nasiona wzoru. Wyraził ten proces w bardzo abstrakcyjny sposób matematyczny.

Teraz wydaje się, że coś takiego może być odpowiedzialne za wzory, które tworzą się na skórach zwierząt i niektóre wzory, które widzimy również u owadów. Ale pojawia się również w niektórych całkiem różnych systemach, w wydmach i falach piasku powstających po wydmuchiwaniu piasku przez wiatr.

W swojej książce wspominasz o tym, że nauka i matematyka nie wyjaśniły jeszcze w pełni niektórych z tych wzorców. Czy możesz podać przykład?

Rozumiemy tylko, w jaki sposób płatki śniegu zdobywają te rozgałęzione formacje od lat 80. XX wieku, mimo że ludzie studiowali i zastanawiali się nad tym pytaniem przez kilkaset lat. Jednak nawet teraz tajemnicą jest, dlaczego każde ramię płatka śniegu może być prawie identyczne. To prawie tak, jakby jedno ramię mogło komunikować się z innymi, aby upewnić się, że rosną w specjalny sposób. To wciąż zaskakujące.

Nowe formy wzorców są odkrywane prawie tak szybko, jak możemy znaleźć wyjaśnienia. W półpustynnych regionach świata występują dziwne wzorce wegetacji, w których występują fragmenty roślinności oddzielone płatami gołej ziemi. Wydaje się, że oni też mają za sobą mechanizm podobny do Turinga, ale to zrozumienie jest również bardzo aktualne.

Co masz nadzieję, że czytelnicy znajdą w książce?

Kiedy zacząłem przyglądać się temu tematowi, wszędzie zacząłem widzieć wzorce. Pamiętam, jak byłem w połowie pisania pierwszej książki w 1999 roku i byłem na plaży w Walii, nagle zdałem sobie sprawę, że wszędzie są wzory. W chmurach i na niebie były różne wzory, były fale i tak dalej na morzu. W wodzie spływającej po piasku istniał inny rodzaj wzoru. Nawet same klify nie były przypadkowe.

Zaczynasz więc widzieć wokół siebie wzory. Mam nadzieję, że ludziom się to przydarzy i docenią, jak wzorzec otaczającej nas struktury jest wzorzysty. Jest w tym tylko blask i radość.