Znanost za vzorce narave

Zavoj repa kameleona, spirala luskine pinecone in valovanja, ki jih ustvarjajo z zrni peska, ki se premikajo od vetra, imajo moč pritegniti oko in zaintrigirati um. Ko je Charles Darwin leta 1859 prvič predlagal teorijo evolucije z naravno selekcijo, je spodbudil znanstvene navdušence, naj poiščejo razloge za naravne vzorce, ki jih opazijo pri kopnih zveri, zračnih pticah in morskih bitjih. Pavino perje, lise morskega psa morajo vsi služiti nekakšnemu prilagodljivemu namenu, so nestrpno domnevali.

Pa vendar je ena oseba vse to videla kot "bežno navdušenje", piše angleški znanstvenik in pisatelj Philip Ball v svoji novi knjigi Vzorci v naravi: Zakaj naravni svet izgleda tako, kot to počne . Škotski zoolog D'Arcy Wentworth Thompson je bil potisnjen, da je leta 1917 objavil svoj lastni traktat, v katerem je pojasnil, da celo ustvarjalnost narave omejujejo zakoni, ki jih ustvarjajo fizične in kemične sile. Thompsonove zamisli niso v nasprotju z Darwinovo teorijo, vendar so vendarle opozorili, da so bili dejavni tudi drugi dejavniki. Medtem ko bi naravna selekcija lahko pojasnila, zakaj se tigraste črte - strategija mešanja s sencami na travnikih in gozdovih - način, kako kemikalije razpršijo skozi razvijajoče se tkivo, lahko razložijo, kako se pigment konča v temnih in svetlih pasovih, pa tudi zakaj podobno vzorci se lahko pojavijo na morski anemoni.

V filmu Patterns in Nature Ball ustvarja kot fizik in kemik kot več kot 20 let izkušenj kot urednik znanstvene revije Nature . Njegova prva knjiga, ki je izšla leta 1999 ( The Self-made Tapestry ), in trilogija, ki je izšla leta 2009 ( Nature's Patterns: Oblike, tok, veje ), raziskuje temo naravnih vzorcev, vendar nobena od njih ni tako bogata kot njegova zadnja slika.

Vzorci v naravi: Zakaj naravni svet izgleda tako, kot to počne

Živahne fotografije v knjigi so vitalne, pojasnjuje Ball, saj nekatere vzorce lahko v celoti cenimo le s ponavljanjem. "Ko nekaj več ob drugem vidiš v slavnih podrobnostih, začneš dobivati ​​občutek, kako narava prevzame temo in se z njo spopada, " pravi.

Pojasnila, ki jih Ball ponuja, so preprosta in graciozna, kot ko razloži, kako se lahko namočen obliž izsuši v razpokano pokrajino. "Suha plast na površini se poskuša skrčiti glede na še vedno vlažno plast spodaj, tla pa postanejo ves čas napeta, " piše.

Pa vendar ponuja tudi dovolj podrobnosti, da lahko intrigira znanstvenike in umetnike. Osupljive fotografije so oblikovalci oblikovali pri Marshall Editions, založniku skupine London v Quarto, ki je knjigo licenciral University of Chicago Press.

Ball je za Smithsonian.com spregovoril o svoji knjigi in navdihih.

Kaj natančno je vzorec?

V knjigi sem jo namenoma pustil nekoliko dvoumno, saj se zdi, kot da jo poznamo, ko jo vidimo. Tradicionalno razmišljamo o vzorcih kot o nečem, ki se vedno znova in znova ponavlja skozi vesolj na enak način, podoben vzorcu ozadja. Toda mnogi vzorci, ki jih vidimo v naravi, niso ravno taki. Menimo, da je v njih nekaj običajnega ali vsaj ne naključno, vendar to ne pomeni, da so vsi elementi enaki. Mislim, da bi bil zelo znan primer tega črta zebre. Vsakdo lahko to prepozna kot vzorec, toda noben trak ni kot kateri koli drug trak.

Mislim, da lahko rečemo, da ima vse, kar ni čisto naključno, nekakšen vzorec. V tem sistemu mora biti nekaj, kar ga je potegnilo stran od tiste čiste naključnosti ali v drugi skrajnosti, iz čiste enotnosti.

Zakaj ste se odločili napisati knjigo o naravnih vzorcih?

Sprva je bilo to, da sem bil urednik Nature . Tam sem začel opazovati veliko dela v reviji - in v širši znanstveni literaturi - o tej temi. Kar me je presenetilo, je to, da gre za temo, ki nima nikakršnih naravnih disciplinskih meja. Ljudje, ki jih tovrstna vprašanja zanimajo, so lahko biologi, matematiki, fiziki ali kemiki. To me je privlačilo. Vedno so mi bili všeč predmeti, ki ne spoštujejo tradicionalnih meja.

Mislim pa, da je šlo tudi za vizualce. Vzorci so ravno tako presenetljivi, lepi in izjemni.

Nato je v tem vidiku vprašanje: kako narava brez kakršnega koli načrta ali zasnove oblikuje takšne vzorce? Ko izdelujemo vzorce, je to zato, ker smo to načrtovali tako, da bi elemente postavili na svoje mesto. V naravi ni načrtovalca, a nekako se naravne sile zavežejo, da bi ustvarile nekaj, kar je videti precej lepo.

Imate najljubši primer vzorca, ki ga najdemo v naravi?

Morda je eden najbolj znanih, a res eden najbolj izstopajočih je vzorec snežinke. Vsi imajo isto temo - to je šestkratna šestkotna simetrija, vendar se zdi, da je v teh snežinkah neskončno raznoliko. To je tako preprost postopek, ki gre v njihovo tvorbo. To je vodna para, ki zamrzne iz vlažnega zraka. Nič ni več od tega, ampak nekako ustvari ta neverjetno zapleten, podroben, lep vzorec.

Drug sistem, ki ga vedno znova srečujemo na različnih mestih, tako v živem kot v neživem svetu, je vzorec, ki mu pravimo Turingove strukture. Poimenovani so po Alanu Turingu, matematiku, ki je postavil temelje teoriji računanja. Zelo ga je zanimalo, kako se oblikujejo vzorci. Zlasti ga je zanimalo, kako se to zgodi v oplojenem jajcu, ki je v bistvu sferična celica, ki se nekako vleče v nekaj tako zapletenega človeka, ko raste in se deli.

Turing je predstavil teorijo, ki je bila v bistvu razlaga, kako lahko cel kup kemikalij, ki le nekako plujejo po vesolju, medsebojno vpliva, tako da ustvari razlike od enega kosa prostora do drugega. Na ta način bodo nastajala semena vzorca. Ta proces je izrazil v zelo abstraktnem matematičnem smislu.

Zdi se, da je nekaj takega lahko odgovorno za vzorce, ki se oblikujejo na živalskih kožah, in nekatere vzorce, ki jih vidimo tudi pri žuželkah. Pojavi pa se tudi v nekaterih precej različnih sistemih, v peščenih sipinah in peščenih valovih, ki nastajajo po tem, ko je veter pihal pesek.

V svoji knjigi omenjate dejstvo, da znanost in matematika še nista povsem pojasnili nekaterih teh vzorcev. Lahko navedete primer?

Resnično smo samo razumeli, kako snežinke dobijo te razvejane tvorbe od osemdesetih let prejšnjega stoletja, čeprav so ljudje to vprašanje preučevali in razmišljali več sto let. Kljub temu je zdaj malo skrivnost, zakaj je lahko vsaka roka snežinke precej enaka. Skoraj kot ena roka lahko komunicira z drugimi, da se prepriča, da rastejo na poseben način. To je še vedno presenetljivo.

Nove oblike vzorcev odkrivamo skoraj tako hitro, kot lahko najdemo razlage. V polsušnih regijah sveta, kjer so rastlinski deli, ločeni z obliži gole zemlje, obstajajo čudni rastlinski vzorci. Zdi se tudi, da imajo za seboj mehanizem, podoben Turingu, vendar je tudi to razumevanje zelo nedavno.

Kaj upate, da bodo bralci našli v knjigi?

Ko sem začel preučevati to temo, sem začel povsod videti vzorce. Spominjam se, ko sem leta 1999 napisal svojo prvo knjigo in bil na plaži v Walesu, kar naenkrat sem ugotovil, da povsod obstajajo vzorci. V oblakih in na nebu so bili različni vzorci, v morju so bili valovni vzorci in tako naprej. V vodi, ki je tekla po pesku, je bil drugačen vzorec. Tudi same skale niso bile čisto naključne.

Torej, začnete videti vzorce povsod okoli sebe. Upam, da se bodo ljudem to zgodilo, da bodo cenili, koliko struktur, ki nas obdajajo, je vzorčno. V tem je le blišč in veselje.