Știința în spatele modelelor naturii

Șirul cozii unui cameleon, spirala cântarului unui pin și ondulările create de boabele de nisip care se mișcă de vânt au toate puterea de a atrage privirea și de a intriga mintea. Când Charles Darwin a propus pentru prima dată teoria evoluției prin selecție naturală în 1859, i-a încurajat pe pasionații de știință să găsească motivele pentru modelele naturale văzute în fiarele terestre, păsările din aer și creaturi ale mării. Penajul de păun, petele unui rechin trebuie să servească cu toții într-un scop adaptativ, au surprins cu nerăbdare.

Cu toate acestea, o persoană a văzut toate acestea ca un „entuziasm evadat”, scrie omul de știință și scriitorul englez Philip Ball, în noua sa carte, Patterns in Nature: Why the Natural World arată așa cum face . Zoologul scoțian D'Arcy Wentworth Thompson a fost împins să-și publice propriul tratat în 1917, explicând că chiar și creativitatea naturii este constrânsă de legile generate de forțele fizice și chimice. Ideile lui Thompson nu au intrat în conflict cu teoria lui Darwin, dar au subliniat că alți factori erau în joc. În timp ce selecția naturală ar putea explica de ce dungi ale unui tigru - o strategie de îmbinare cu umbrele din pășuni și pădure - modul în care substanțele chimice difuzează prin țesutul în curs de dezvoltare poate explica modul în care pigmentul sfârșește în benzi de întuneric și de lumină, precum și de ce similar tiparele pot cultiva pe o anemonă de mare.

În Patterns in Nature, Ball aduce propriul său fundal ca fizician și chimist, precum și peste 20 de ani de experiență ca redactor pentru revista științifică Nature . Prima sa carte, publicată în 1999 ( The Self-Made Tapestry ) și o trilogie, publicată în 2009 ( Nature's Patterns: Shapes, Flow, Branches ), explorează subiectul tiparelor naturale, dar nici nu are imagini la fel de bogate ca cele mai recente ale sale.

Modele în natură: De ce lumea naturală arată așa cum o face

Fotografiile vii din carte sunt vitale, explică Ball, pentru că unele dintre tipare nu pot fi pe deplin apreciate doar prin repetare. „Este atunci când îi vezi pe mai mulți dintre ei unul lângă altul, în detalii glorioase, încât începi să ai o idee despre cum natura ia o temă și merge cu ea”, spune el.

Explicațiile oferite de Ball sunt simple și grațioase, ca atunci când explică modul în care un petic de pământ îmbibat se poate usca într-un peisaj crăpat. „Stratul uscat de la suprafață încearcă să se micșoreze în raport cu stratul încă umed de dedesubt, iar pământul devine șchiopătat cu tensiune pe tot parcursul”, scrie el.

Cu toate acestea, el oferă și detalii suficiente pentru a intriga științii și artiștii deopotrivă. Fotografiile uimitoare au fost curate de designerii de la Marshall Editions, un editor al grupului Quarto din Londra, care a acordat licența cărții la Universitatea din Chicago Press.

Ball a vorbit cu Smithsonian.com despre cartea și inspirațiile sale.

Ce este exact un model?

Am lăsat-o ușor ambiguă în carte, intenționat, pentru că se simte că o știm când o vedem. În mod tradițional, ne gândim la modele ca la ceva care se repetă din nou și din nou în spațiul într-un mod identic, precum un model de tapet. Dar multe modele pe care le vedem în natură nu sunt chiar așa. Simțim că există ceva regulat sau cel puțin nu întâmplător în privința lor, dar asta nu înseamnă că toate elementele sunt identice. Cred că un exemplu foarte familiar ar fi dungile zebrei. Toată lumea poate recunoaște acest lucru ca un model, dar nici o dungă nu este ca orice altă dungă.

Cred că putem face un caz pentru a spune că orice lucru care nu este pur întâmplător are un fel de model. Trebuie să existe ceva în acel sistem care l-a îndepărtat de acea pură aleatorie sau de la cealaltă extremă, de la uniformitatea pură.

De ce ai decis să scrii o carte despre tiparele naturale?

La început, a fost rezultatul faptului că a fost redactor la Nature . Acolo, am început să văd o mulțime de lucrări prin revista - și prin literatura științifică mai pe larg - despre acest subiect. Ceea ce m-a frapat a fost că este un subiect care nu are niciun fel de granițe disciplinare naturale. Oamenii interesați de aceste tipuri de întrebări ar putea fi biologi, pot fi matematicieni, pot fi fizicieni sau chimiști. Asta m-a atras. Întotdeauna mi-au plăcut subiectele care nu respectă acele granițe tradiționale.

Dar cred că, de asemenea, a fost vizual. Tiparele sunt la fel de izbitoare, frumoase și remarcabile.

Apoi, stăpânirea acestui aspect este întrebarea: Cum se realizează natura fără niciun fel de model sau de proiectare a unor modele de acest fel? Când realizăm tipare, este pentru că am planificat-o astfel, punând elementele la locul lor. În natură, nu există niciun planificator, dar într-un fel forțele naturale conspiră pentru a aduce ceva care arată destul de frumos.

Aveți un exemplu preferat de un model găsit în natură?

Poate unul dintre cele mai cunoscute, dar cu adevărat unul dintre cele mai remarcabile este modelul fulgului de zăpadă. Toate au aceeași temă - această simetrie hexagonală de șase ori și totuși pare să existe o varietate infinită în acești fulgi de zăpadă. Este un proces atât de simplu care intră în formarea lor. Vaporii de apă îngheață din aerul umed. Nu este nimic mai mult decât asta, dar într-un fel creează acest model incredibil de complex, detaliat, frumos.

Un alt sistem pe care-l găsim în fiecare dată să crească în diferite locuri, atât în ​​lumea vie, cât și în cea fără viață, este un tipar pe care îl numim structuri Turing. Ei poartă numele lui Alan Turing, matematicianul care a pus bazele teoriei calculului. Era foarte interesat de modul în care se formează tiparele. În special, a fost interesat de cum se întâmplă acest lucru într-un ou fecundat, care este practic o celulă sferică care, într-un fel, devine modelată în ceva atât de complicat ca un om, pe măsură ce crește și se împarte.

Turing a venit cu o teorie care a fost practic o explicație a modului în care o mulțime de substanțe chimice care plutesc doar în spațiu pot interacționa pentru a crea diferențe de la un pic de spațiu la altul. În acest fel, vor apărea semințele unui model. El a exprimat acel proces în termeni matematici foarte abstracti.

Acum, se pare că ceva de genul acesta ar putea fi responsabil pentru tiparele care se formează pe pielea animalelor și unele modele pe care le vedem și la insecte. Dar apare și în unele sisteme destul de diferite, în dunele de nisip și în zonele de nisip care se formează după ce vântul a suflat nisipul.

În cartea dvs., menționați faptul că știința și matematica nu au explicat pe deplin unele dintre aceste modele. Puteți da un exemplu?

Am înțeles cu adevărat doar cum fulgii de zăpadă capătă aceste formațiuni ramificate încă din anii 1980, chiar dacă oamenii au studiat și s-au gândit la această întrebare de câteva sute de ani. Cu toate acestea, chiar acum este un pic de mister de ce fiecare braț al fulgului de zăpadă poate fi destul de identic. Este aproape ca și cum un braț poate comunica cu celelalte pentru a se asigura că cresc într-un mod special. Acest lucru este încă surprinzător.

Noi forme de tipare sunt descoperite aproape la fel de repede, deoarece putem găsi explicații. Există modele de vegetație ciudate în regiunile semi-aride ale lumii, unde există pâlcuri de vegetație separate prin pete de pământ gol. De asemenea, par să aibă un mecanism asemănător cu Turingul în spatele lor, dar această înțelegere este foarte recentă.

Ce speri că vor găsi cititorii în carte?

Când am început să cercetez acest subiect, am început să văd modele peste tot. Îmi amintesc când am fost la jumătatea drumului în care am scris prima mea carte în 1999 și am fost pe o plajă din Țara Galilor, mi-am dat seama brusc că peste tot există modele. Pe nori și pe cer erau modele diferite, au existat modele de valuri și așa mai departe în mare. În apa care curgea prin nisip, exista un tipar diferit. Nici măcar stâncile nu au fost pur întâmplătoare.

Deci, începeți să vedeți modele în jurul vostru. Sper că oamenii vor descoperi acest lucru, pentru că vor aprecia cât de mult este modelată structura din jurul nostru. Există doar splendoare și bucurie în asta.