La scienza dietro i modelli della natura

Il ricciolo della coda di un camaleonte, la spirale delle squame di una pigne e le increspature create dal vento che muove granelli di sabbia hanno il potere di catturare l'occhio e incuriosire la mente. Quando Charles Darwin propose per la prima volta la teoria dell'evoluzione per selezione naturale nel 1859, incoraggiò gli appassionati di scienza a trovare ragioni per i modelli naturali osservati nelle bestie della terra, negli uccelli del cielo e nelle creature del mare. Il piumaggio del pavone, le macchie di uno squalo devono tutti servire a uno scopo adattivo, presero con entusiasmo.

Eppure una persona ha visto tutto questo come "entusiasmo in fuga", scrive lo scienziato e scrittore inglese Philip Ball nel suo nuovo libro, Patterns in Nature: Why the Natural World Looks the Like It Does . Lo zoologo scozzese D'Arcy Wentworth Thompson fu spinto a pubblicare il suo trattato nel 1917, spiegando che persino la creatività della natura è vincolata da leggi generate dalle forze fisiche e chimiche. Le idee di Thompson non si scontrarono con la teoria di Darwin, ma fecero notare che altri fattori erano in gioco. Considerando che la selezione naturale potrebbe spiegare il perché delle strisce di una tigre - una strategia per fondersi con le ombre nelle praterie e nelle foreste - il modo in cui le sostanze chimiche si diffondono attraverso lo sviluppo dei tessuti può spiegare come il pigmento finisce in bande di buio e luce, nonché perché simili i modelli possono spuntare su un anemone di mare.

In Patterns in Nature, Ball porta il suo background come fisico e chimico oltre a oltre 20 anni di esperienza come redattore per la rivista scientifica Nature . Il suo primo libro, pubblicato nel 1999 ( The Self-Made Tapestry ), e una trilogia, pubblicato nel 2009 ( Nature's Patterns: Shapes, Flow, Branches ), esplorano l'argomento dei motivi naturali, ma nessuno dei due ha una grafica così ricca come la sua ultima.

Patterns in Nature: perché il mondo naturale sembra così

Le vivide fotografie nel libro sono vitali, spiega Ball, perché alcuni dei motivi possono essere pienamente apprezzati solo attraverso la ripetizione. "È quando vedi molti di loro fianco a fianco in dettagli gloriosi che inizi a capire come la natura prende un tema e lo corre", dice.

Le spiegazioni offerte da Ball sono semplici e aggraziate, come quando spiega come una macchia di terreno fradicia possa asciugarsi in un paesaggio incrinato. "Lo strato secco in superficie cerca di ridursi rispetto allo strato ancora umido sottostante, e il terreno diventa allacciato con tensione", scrive.

Eppure offre anche abbastanza dettagli per incuriosire scienziati e artisti. Le splendide fotografie sono state curate dai designer di Marshall Editions, un editore del Quarto Group di Londra, che ha concesso in licenza il libro alla University of Chicago Press.

Ball ha parlato a Smithsonian.com del suo libro e delle sue ispirazioni.

Che cos'è esattamente un modello?

L'ho lasciato un po 'ambiguo nel libro, apposta, perché sembra che lo sappiamo quando lo vediamo. Tradizionalmente, pensiamo ai modelli come a qualcosa che si ripete ancora e ancora nello spazio in modo identico, una specie di modello di carta da parati. Ma molti schemi che vediamo in natura non sono proprio così. Sentiamo che c'è qualcosa di regolare o almeno non casuale in loro, ma ciò non significa che tutti gli elementi siano identici. Penso che un esempio molto familiare di ciò sarebbe le strisce della zebra. Tutti possono riconoscerlo come modello, ma nessuna striscia è come qualsiasi altra striscia.

Penso che possiamo fare un caso per dire che tutto ciò che non è puramente casuale ha una sorta di modello in esso. Deve esserci qualcosa in quel sistema che lo ha allontanato da quella pura casualità o dall'altro estremo, dalla pura uniformità.

Perché hai deciso di scrivere un libro sugli schemi naturali?

Inizialmente, è stato il risultato di essere stato un editore di Nature . Lì ho iniziato a vedere molto lavoro attraverso la rivista - e attraverso la letteratura scientifica in senso lato - su questo argomento. Ciò che mi ha colpito è che si tratta di un argomento che non ha alcun tipo di confine disciplinare naturale. Le persone che sono interessate a questo tipo di domande potrebbero essere biologi, potrebbero essere matematici, potrebbero essere fisici o chimici. Mi è piaciuto. Mi sono sempre piaciuti i soggetti che non rispettano quei confini tradizionali.

Ma penso anche che fosse la grafica. I motivi sono così sorprendenti, belli e notevoli.

Quindi, alla base di questo aspetto c'è la domanda: come fa la natura senza alcun tipo di progetto o disegno a mettere insieme modelli come questo? Quando creiamo modelli, è perché l'abbiamo pianificato in quel modo, mettendo gli elementi a posto. In natura, non esiste un pianificatore, ma in qualche modo le forze naturali cospirano per realizzare qualcosa che sembra piuttosto bello.

Hai un esempio preferito di un modello trovato in natura?

Forse uno dei più familiari ma davvero uno dei più notevoli è il modello del fiocco di neve. Hanno tutti lo stesso tema: questa simmetria esagonale di sei volte, eppure sembra che ci sia infinita varietà all'interno di questi fiocchi di neve. È un processo così semplice che entra nella loro formazione. È il vapore acqueo che si congela dall'aria umida. Non c'è nient'altro che questo, ma in qualche modo crea questo modello incredibilmente intricato, dettagliato, bello.

Un altro sistema che troviamo spuntare ripetutamente in luoghi diversi, sia nel mondo vivente che in quello non vivente, è un modello che chiamiamo strutture di Turing. Prendono il nome da Alan Turing, il matematico che ha gettato le basi per la teoria del calcolo. Era molto interessato a come si formano gli schemi. In particolare, era interessato a come ciò accade in un uovo fecondato, che è fondamentalmente una cellula sferica che in qualche modo viene modellata in qualcosa di complicato come un umano mentre cresce e si divide.

Turing ha escogitato una teoria che era sostanzialmente una spiegazione di come un intero gruppo di sostanze chimiche che stanno semplicemente fluttuando nello spazio possono interagire in modo da creare differenze da un po 'di spazio all'altro. In questo modo, emergeranno i semi di un modello. Ha espresso questo processo in termini matematici molto astratti.

Ora, sembra che qualcosa di simile potrebbe essere responsabile dei modelli che si formano sulle pelli di animali e di alcuni modelli che vediamo anche negli insetti. Ma appare anche in alcuni sistemi abbastanza diversi, in dune di sabbia e increspature di sabbia che si formano dopo che il vento ha soffiato sabbia.

Nel tuo libro, menzioni il fatto che la scienza e la matematica non hanno ancora spiegato completamente alcuni di questi schemi. Puoi fare un esempio?

Abbiamo davvero capito come i fiocchi di neve ottengano queste formazioni ramificate dagli anni '80, anche se le persone hanno studiato e riflettuto su questa domanda per diverse centinaia di anni. Eppure anche adesso è un po 'un mistero perché ogni braccio del fiocco di neve possa essere praticamente identico. È quasi come se un braccio potesse comunicare con gli altri per assicurarsi che crescano in modo speciale. Questo è ancora sorprendente.

Nuove forme di schemi vengono scoperte quasi alla stessa velocità con cui possiamo trovare spiegazioni. Ci sono strani schemi di vegetazione nelle regioni semi-aride del mondo dove ci sono macchie di vegetazione separate da macchie di terreno nudo. Anche loro sembrano avere un meccanismo simile a Turing, ma anche questa comprensione è molto recente.

Cosa speri che i lettori troveranno nel libro?

Quando ho iniziato a esaminare questo argomento, ho iniziato a vedere schemi ovunque. Ricordo che quando avevo finito di scrivere il mio primo libro nel 1999 e mi trovavo su una spiaggia del Galles, improvvisamente mi sono reso conto che ovunque c'erano schemi. Nelle nuvole e nel cielo c'erano diversi schemi, c'erano schemi d'onda e così via nel mare. Nell'acqua che scorreva attraverso la sabbia, c'era un diverso tipo di modello. Anche le scogliere stesse non erano puramente casuali.

Quindi, inizi a vedere schemi intorno a te. Spero che le persone scoprano che sta accadendo loro che apprezzeranno quanta struttura ci circonda è modellata. C'è solo splendore e gioia in questo.