Die Wissenschaft hinter den Mustern der Natur

Die Kräuselung des Schwanzes eines Chamäleons, die Spirale der Schuppen eines Tannenzapfens und die Wellen, die durch den Wind entstehen, der Sandkörner bewegt, haben alle die Kraft, den Blick auf sich zu ziehen und den Geist zu faszinieren. Als Charles Darwin 1859 zum ersten Mal die Evolutionstheorie durch natürliche Auslese vorschlug, ermutigte sie die Wissenschaftsbegeisterten, Gründe für die natürlichen Muster zu finden, die bei Tieren des Landes, Luftvögeln und Meeresbewohnern zu beobachten waren. Das Gefieder des Pfaus, die Flecken eines Hais müssen alle einem adaptiven Zweck dienen, vermuteten sie eifrig.

Dennoch sah eine Person all dies als "außer Kontrolle geratene Begeisterung" an, schreibt der englische Wissenschaftler und Schriftsteller Philip Ball in seinem neuen Buch " Patterns in Nature: Warum die natürliche Welt so aussieht, wie sie aussieht" . Der schottische Zoologe D'Arcy Wentworth Thompson wurde 1917 dazu gedrängt, seine eigene Abhandlung zu veröffentlichen, in der er erklärte, dass selbst die Kreativität der Natur durch Gesetze eingeschränkt wird, die durch physikalische und chemische Kräfte erzeugt werden. Thompsons Ideen stießen nicht auf Darwins Theorie, aber sie wiesen darauf hin, dass andere Faktoren im Spiel waren. Während natürliche Selektion das Warum der Streifen eines Tigers erklären könnte - eine Strategie, die sich in Schatten in Grasland und Wald einfügt - kann die Art und Weise, wie Chemikalien durch sich entwickelndes Gewebe diffundieren, erklären, wie Pigmente in dunklen und hellen Streifen landen und warum ähnlich Muster können auf einer Seeanemone auftauchen.

In Patterns in Nature bringt Ball seinen eigenen Hintergrund als Physiker und Chemiker sowie mehr als 20 Jahre Erfahrung als Herausgeber der Fachzeitschrift Nature mit . In seinem 1999 erschienenen ersten Buch ( The Self-Made Tapestry ) und einer 2009 erschienenen Trilogie ( Nature's Patterns: Shapes, Flow, Branches ) geht es um das Thema natürliche Muster, aber keines der Bilder ist so reichhaltig wie sein neuestes.

Muster in der Natur: Warum die natürliche Welt so aussieht, wie sie aussieht

Die lebendigen Fotos in dem Buch sind von entscheidender Bedeutung, erklärt Ball, da einige der Muster nur durch Wiederholung vollständig erkannt werden können. "Wenn man mehrere von ihnen Seite an Seite in herrlichen Details sieht, bekommt man einen Eindruck davon, wie die Natur ein Thema aufnimmt und damit umgeht", sagt er.

Die Erklärungen, die Ball anbietet, sind einfach und anmutig, als würde er erklären, wie ein durchnässtes Stück Boden in eine rissige Landschaft eintrocknen kann. "Die trockene Schicht an der Oberfläche versucht, relativ zur noch feuchten Schicht darunter zu schrumpfen, und der Boden wird durchgehend von Spannungen durchzogen", schreibt er.

Er bietet aber auch genug Details, um Wissenschaftler und Künstler gleichermaßen zu faszinieren. Die atemberaubenden Fotos wurden von den Designern von Marshall Editions, einem Verlag der Quarto Group in London, kuratiert, der das Buch an die University of Chicago Press lizenzierte.

Ball sprach mit Smithsonian.com über sein Buch und seine Inspirationen.

Was genau ist ein Muster?

Ich habe es absichtlich etwas mehrdeutig im Buch belassen, weil es sich anfühlt, als ob wir es wissen, wenn wir es sehen. Traditionell betrachten wir Muster als etwas, das sich im gesamten Raum auf identische Weise immer wieder wiederholt, ähnlich einem Tapetenmuster. Aber viele Muster, die wir in der Natur sehen, sind nicht ganz so. Wir spüren, dass sie regelmäßig oder zumindest nicht zufällig sind, aber das bedeutet nicht, dass alle Elemente identisch sind. Ich denke, ein sehr bekanntes Beispiel dafür wären die Streifen des Zebras. Jeder kann das als Muster erkennen, aber kein Streifen ist wie jeder andere Streifen.

Ich denke, wir können sagen, dass alles, was nicht rein zufällig ist, eine Art Muster enthält. Es muss etwas in diesem System geben, das es von dieser reinen Zufälligkeit oder im anderen Extrem von der reinen Gleichförmigkeit weggezogen hat.

Warum hast du beschlossen, ein Buch über natürliche Muster zu schreiben?

Zunächst war es das Ergebnis einer Tätigkeit als Redakteur bei Nature . Dort sah ich eine Menge Arbeit in der Zeitschrift - und allgemeiner in der wissenschaftlichen Literatur - zu diesem Thema. Was mich beeindruckt hat, ist, dass es sich um ein Thema handelt, das keinerlei natürliche Disziplinargrenzen aufweist. Menschen, die sich für diese Art von Fragen interessieren, könnten Biologen, Mathematiker, Physiker oder Chemiker sein. Das hat mich angesprochen. Ich mochte immer Themen, die diese traditionellen Grenzen nicht respektieren.

Aber ich denke auch, dass es die Visuals waren. Die Muster sind einfach so auffällig, schön und bemerkenswert.

Untermauert wird dieser Aspekt durch die Frage: Wie setzt die Natur ohne Blaupause oder Design solche Muster zusammen? Wenn wir Muster erstellen, liegt das daran, dass wir dies so geplant haben und die Elemente in Position gebracht haben. In der Natur gibt es keinen Planer, aber irgendwie verschwören sich natürliche Kräfte, um etwas zu bewirken, das ziemlich schön aussieht.

Haben Sie ein Lieblingsbeispiel für ein in der Natur vorkommendes Muster?

Das Muster der Schneeflocke ist vielleicht eines der bekanntesten, aber eines der bemerkenswertesten. Sie alle haben das gleiche Thema - diese sechsfache, sechseckige Symmetrie und doch scheint es in diesen Schneeflocken eine unendliche Vielfalt zu geben. Es ist ein so einfacher Prozess, der in ihre Entstehung einfließt. Es ist Wasserdampf, der aus feuchter Luft gefriert. Es gibt nichts mehr als das, aber irgendwie schafft es dieses unglaublich komplizierte, detaillierte, schöne Muster.

Ein anderes System, das immer wieder an verschiedenen Orten auftaucht, sowohl in der lebenden als auch in der nicht lebenden Welt, ist ein Muster, das wir Turing-Strukturen nennen. Sie sind nach dem Mathematiker Alan Turing benannt, der den Grundstein für die Berechnungstheorie gelegt hat. Er war sehr daran interessiert, wie sich Muster bilden. Insbesondere interessierte er sich dafür, wie dies in einem befruchteten Ei geschieht, bei dem es sich im Grunde um eine kugelförmige Zelle handelt, die sich irgendwie in etwas so Kompliziertes wie ein Mensch einfügt, wenn es wächst und sich teilt.

Turing entwickelte eine Theorie, die im Grunde eine Erklärung dafür war, wie eine ganze Reihe von Chemikalien, die nur irgendwie im Weltraum herumschweben, interagieren kann, um Unterschiede von einem Stück Raum zum nächsten zu erzeugen. Auf diese Weise entstehen die Keime eines Musters. Er drückte diesen Vorgang in sehr abstrakten mathematischen Begriffen aus.

Nun scheint es, dass so etwas für die Muster verantwortlich sein könnte, die sich auf Tierhäuten bilden, und für einige Muster, die wir auch bei Insekten sehen. Es kommt aber auch in ganz anderen Systemen vor, in Sanddünen und Sandwellen, die sich bilden, nachdem der Wind Sand geblasen hat.

In Ihrem Buch erwähnen Sie die Tatsache, dass Wissenschaft und Mathematik einige dieser Muster noch nicht vollständig erklärt haben. Kannst du ein Beispiel geben?

Wir haben erst seit den 1980er Jahren wirklich verstanden, wie Schneeflocken zu diesen verzweigten Formationen gelangen, obwohl die Menschen diese Frage mehrere hundert Jahre lang studiert und darüber nachgedacht haben. Doch selbst jetzt ist es ein bisschen rätselhaft, warum jeder Arm der Schneeflocke so ziemlich identisch sein kann. Es ist fast so, als ob ein Arm mit den anderen kommunizieren kann, um sicherzustellen, dass sie auf besondere Weise wachsen. Das ist immer noch überraschend.

Neue Formen von Mustern werden fast so schnell entdeckt, wie wir Erklärungen finden können. Es gibt seltsame Vegetationsmuster in halbtrockenen Regionen der Welt, in denen Vegetationsflecken durch Flecken von nacktem Boden getrennt sind. Auch sie scheinen einen Turing-ähnlichen Mechanismus zu haben, aber dieses Verständnis ist auch sehr jung.

Was hoffen Sie, werden die Leser in dem Buch finden?

Als ich anfing, mich mit diesem Thema zu befassen, sah ich überall Muster. Ich erinnere mich, als ich auf halbem Wege mein erstes Buch im Jahr 1999 schrieb und an einem Strand in Wales war, wurde mir plötzlich klar, dass es überall Muster gab. In den Wolken und am Himmel gab es verschiedene Muster, es gab Wellenmuster und so weiter im Meer. Im Wasser, das durch den Sand rann, gab es ein anderes Muster. Sogar die Klippen selbst waren nicht rein zufällig.

Sie sehen also überall Muster. Ich hoffe, dass die Leute feststellen, dass ihnen dies passiert, und dass sie es zu schätzen wissen, wie strukturiert unsere Umgebung ist. Darin liegt nur Glanz und Freude.