Die Krümmung des Schwanzes eines Chamäleons, die Spirale der Schuppen eines Kiefernzapfens und die Wellen, die durch die Bewegung von Sandkörnern durch den Wind entstehen, haben alle die Kraft, das Auge zu fesseln und den Geist zu faszinieren. Als Charles Darwin 1859 die Theorie der Evolution durch natürliche Auslese aufstellte, ermutigte er die Wissenschaftler, Gründe für die natürlichen Muster bei Landtieren, Vögeln und Meeresbewohnern zu finden. Das Gefieder des Pfaus, die Flecken eines Hais – all das muss einen adaptiven Zweck erfüllen, vermuteten sie eifrig.
Jedoch sah eine Person all dies als „unkontrollierten Enthusiasmus“ an, schreibt der englische Wissenschaftler und Schriftsteller Philip Ball in seinem neuen Buch „Patterns in Nature: Why the Natural World Looks the Way it Does. Der schottische Zoologe D’Arcy Wentworth Thompson sah sich veranlasst, 1917 eine eigene Abhandlung zu veröffentlichen, in der er erklärte, dass selbst die Kreativität der Natur durch Gesetze eingeschränkt wird, die durch physikalische und chemische Kräfte entstehen. Thompsons Ideen standen nicht im Widerspruch zu Darwins Theorie, aber sie wiesen darauf hin, dass noch andere Faktoren eine Rolle spielen. Während die natürliche Auslese den Grund für die Streifen eines Tigers erklären könnte – eine Strategie, um mit den Schatten im Grasland und im Wald zu verschmelzen -, kann die Art und Weise, wie Chemikalien durch das sich entwickelnde Gewebe diffundieren, erklären, wie Pigmente in dunklen und hellen Bändern enden, sowie warum ähnliche Muster auf einer Seeanemone auftauchen können.
In Patterns in Nature bringt Ball seinen eigenen Hintergrund als Physiker und Chemiker sowie seine mehr als 20-jährige Erfahrung als Redakteur der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature ein. Sein erstes Buch aus dem Jahr 1999 (The Self-Made Tapestry) und eine Trilogie aus dem Jahr 2009 (Nature’s Patterns: Shapes, Flow, Branches) befassen sich mit Mustern in der Natur, aber keines davon ist so reichhaltig wie sein neuestes Werk.
Die lebendigen Fotografien in dem Buch sind wichtig, erklärt Ball, weil einige der Muster nur durch Wiederholungen voll zur Geltung kommen. „Erst wenn man mehrere von ihnen nebeneinander in prächtigen Details sieht, bekommt man ein Gefühl dafür, wie die Natur ein Thema aufgreift und damit umgeht“, sagt er.
Die Erklärungen, die Ball gibt, sind einfach und anmutig, wie zum Beispiel, wenn er erklärt, wie aus einem durchnässten Fleck Erde eine rissige Landschaft entstehen kann. „Die trockene Schicht an der Oberfläche versucht, im Verhältnis zu der noch feuchten Schicht darunter zu schrumpfen, und der Boden wird durch und durch von Spannungen durchzogen“, schreibt er.
Aber er bietet auch genügend Details, um Wissenschaftler und Künstler gleichermaßen zu faszinieren. Die atemberaubenden Fotografien wurden von den Designern von Marshall Editions kuratiert, einem Verlag der Quarto Group in London, der das Buch an die University of Chicago Press lizenziert hat.
Ball sprach mit Smithsonian.com über sein Buch und seine Inspirationen.
Was genau ist ein Muster?
Ich habe es im Buch absichtlich etwas unklar gelassen, weil es sich anfühlt, als würden wir es erkennen, wenn wir es sehen. Traditionell denken wir bei Mustern an etwas, das sich im Raum immer wieder auf die gleiche Art und Weise wiederholt, so wie ein Tapetenmuster. Aber viele Muster, die wir in der Natur sehen, sind nicht ganz so. Wir spüren, dass sie etwas Regelmäßiges oder zumindest nicht Zufälliges an sich haben, aber das bedeutet nicht, dass alle Elemente identisch sind. Ein sehr bekanntes Beispiel dafür sind die Streifen eines Zebras. Jeder kann sie als Muster erkennen, aber kein Streifen gleicht dem anderen.
Ich denke, man kann sagen, dass alles, was nicht rein zufällig ist, eine Art Muster in sich trägt. Es muss etwas in diesem System geben, das es von der reinen Zufälligkeit oder im anderen Extrem von der reinen Gleichförmigkeit weggezogen hat.
Warum haben Sie sich entschlossen, ein Buch über natürliche Muster zu schreiben?
Zunächst war es ein Ergebnis meiner Tätigkeit als Redakteur bei Nature. Dort habe ich gesehen, dass in der Zeitschrift – und in der wissenschaftlichen Literatur im Allgemeinen – viele Arbeiten zu diesem Thema erschienen sind. Dabei fiel mir auf, dass es sich um ein Thema handelt, das keine natürlichen disziplinären Grenzen kennt. Menschen, die sich für diese Art von Fragen interessieren, können Biologen oder Mathematiker sein, sie können Physiker oder Chemiker sein. Das hat mich gereizt. Ich mochte schon immer Themen, die diese traditionellen Grenzen nicht respektieren.
Aber ich glaube, es lag auch an der Optik. Die Muster sind einfach so auffallend, schön und bemerkenswert.
Dann liegt diesem Aspekt die Frage zugrunde: Wie schafft es die Natur, ohne irgendeinen Bauplan oder ein Design, solche Muster zu erzeugen? Wenn wir Muster bilden, dann deshalb, weil wir es so geplant haben, indem wir die Elemente an ihren Platz gesetzt haben. In der Natur gibt es keinen Planer, aber irgendwie verschwören sich die natürlichen Kräfte, um etwas zu schaffen, das sehr schön aussieht.
Haben Sie ein Lieblingsbeispiel für ein Muster in der Natur?
Vielleicht eines der bekanntesten, aber wirklich eines der bemerkenswertesten ist das Muster der Schneeflocke. Sie haben alle das gleiche Thema – diese sechsfache, sechseckige Symmetrie – und doch scheint es eine unendliche Vielfalt innerhalb dieser Schneeflocken zu geben. Die Entstehung der Schneeflocken ist ein so einfacher Prozess. Es ist Wasserdampf, der aus feuchter Luft gefriert. Es ist nicht mehr als das, aber irgendwie entsteht dieses unglaublich komplizierte, detaillierte, schöne Muster.
Ein anderes System, das wir immer wieder an verschiedenen Orten finden, sowohl in der lebenden als auch in der nichtlebenden Welt, ist ein Muster, das wir Turing-Strukturen nennen. Sie sind nach Alan Turing benannt, dem Mathematiker, der die Grundlage für die Rechentheorie legte. Er war sehr daran interessiert, wie sich Muster bilden. Insbesondere interessierte er sich dafür, wie das in einer befruchteten Eizelle geschieht, die im Grunde eine kugelförmige Zelle ist, die irgendwie zu etwas so Kompliziertem wie einem Menschen wird, während sie wächst und sich teilt.
Turing stellte eine Theorie auf, die im Grunde eine Erklärung dafür war, wie ein ganzer Haufen von Chemikalien, die einfach nur im Raum herumschwimmen, interagieren können, um Unterschiede von einem Stückchen Raum zum nächsten zu schaffen. Auf diese Weise entsteht der Keim eines Musters. Er drückte diesen Prozess in sehr abstrakten mathematischen Begriffen aus.
Nun, es scheint, dass so etwas für die Muster verantwortlich sein könnte, die sich auf Tierhäuten bilden, und für einige Muster, die wir auch bei Insekten sehen. Aber es erscheint auch in ganz anderen Systemen, in Sanddünen und Sandwellen, die sich bilden, nachdem der Wind Sand verweht hat.
In Ihrem Buch erwähnen Sie die Tatsache, dass Wissenschaft und Mathematik einige dieser Muster noch nicht vollständig erklärt haben. Können Sie ein Beispiel nennen?
Wir verstehen erst seit den 1980er Jahren wirklich, wie Schneeflocken diese verzweigten Formen bekommen, obwohl die Menschen schon seit mehreren hundert Jahren über diese Frage nachgedacht haben. Aber selbst jetzt ist es noch ein Rätsel, 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 eine bestimmte 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, wo es Flecken mit Vegetation gibt, die von Flecken mit kahlem Boden getrennt sind. Auch sie scheinen auf einen Turing-ähnlichen Mechanismus zurückzuführen zu sein, aber auch diese Erkenntnis ist noch sehr jung.
Was hoffen Sie, dass die Leser in diesem Buch finden?
Als ich anfing, mich mit diesem Thema zu befassen, begann ich überall Muster zu sehen. Ich erinnere mich, dass ich 1999, als ich mein erstes Buch zur Hälfte fertig geschrieben hatte und an einem Strand in Wales war, plötzlich feststellte, dass es überall Muster gab. In den Wolken und am Himmel gab es verschiedene Muster, im Meer gab es Wellenmuster und so weiter. Im Wasser, das durch den Sand lief, gab es verschiedene Muster. Sogar die Klippen selbst waren nicht rein zufällig.
So fängt man an, überall um sich herum Muster zu sehen. Ich hoffe, dass die Leute das erleben, dass sie erkennen, wie viele Strukturen um uns herum gemustert sind. Das ist einfach herrlich und macht Freude.