La science derrière les motifs de la nature

La boucle de la queue d’un caméléon, la spirale des écailles d’une pomme de pin et les ondulations créées par le vent qui déplace les grains de sable ont toutes le pouvoir d’attirer l’œil et d’intriguer l’esprit. Lorsque Charles Darwin a proposé pour la première fois la théorie de l’évolution par la sélection naturelle en 1859, il a encouragé les passionnés de science à trouver des raisons aux motifs naturels observés chez les animaux terrestres, les oiseaux du ciel et les créatures de la mer. Le plumage du paon, les taches d’un requin doivent tous servir un but adaptatif, supposaient-ils avec empressement.

Pourtant, une personne a vu tout cela comme un « enthousiasme débridé », écrit le scientifique et écrivain anglais Philip Ball dans son nouveau livre, Patterns in Nature : Why the Natural World Looks the Way it Does. Le zoologiste écossais D’Arcy Wentworth Thompson a été poussé à publier en 1917 son propre traité expliquant que même la créativité de la nature est limitée par des lois générées par des forces physiques et chimiques. Les idées de Thompson n’étaient pas en contradiction avec la théorie de Darwin, mais elles soulignaient que d’autres facteurs entraient en jeu. Alors que la sélection naturelle peut expliquer le pourquoi des rayures d’un tigre – une stratégie pour se fondre dans l’ombre des prairies et des forêts – la façon dont les produits chimiques se diffusent dans les tissus en développement peut expliquer comment les pigments se retrouvent en bandes sombres et claires, ainsi que la raison pour laquelle des motifs similaires peuvent apparaître sur une anémone de mer.

Dans Patterns in Nature, Ball met à profit sa propre expérience de physicien et de chimiste, ainsi que plus de 20 ans d’expérience en tant qu’éditeur pour la revue scientifique Nature. Son premier livre, publié en 1999 (The Self-Made Tapestry), et une trilogie, publiée en 2009 (Nature’s Patterns : Shapes, Flow, Branches), explorent le sujet des motifs naturels, mais aucun n’a des visuels aussi riches que son dernier.

Les photographies vivantes du livre sont essentielles, explique Ball, car certains des motifs ne peuvent être pleinement appréciés que par la répétition. « C’est lorsque vous en voyez plusieurs côte à côte avec des détails glorieux que vous commencez à avoir une idée de la façon dont la nature s’empare d’un thème et s’en empare », dit-il.

Les explications que Ball offre sont simples et gracieuses, comme lorsqu’il explique comment une parcelle de terre trempée peut sécher et devenir un paysage craquelé. « La couche sèche à la surface tente de se rétrécir par rapport à la couche encore humide en dessous, et le sol devient lacéré de tension tout au long », écrit-il.

Mais il offre également suffisamment de détails pour intriguer les scientifiques et les artistes. Les superbes photographies ont été sélectionnées par les concepteurs de Marshall Editions, un éditeur du Quarto Group à Londres, qui a cédé la licence du livre à l’University of Chicago Press.

Ball s’est entretenu avec Smithsonian.com au sujet de son livre et de ses inspirations.

Qu’est-ce qu’un motif exactement ?

J’ai laissé le terme légèrement ambigu dans le livre, à dessein, car on a l’impression de le reconnaître quand on le voit. Traditionnellement, nous pensons que les motifs sont quelque chose qui se répète encore et encore dans l’espace de manière identique, un peu comme un motif de papier peint. Mais de nombreux motifs que nous observons dans la nature ne sont pas tout à fait comme cela. Nous sentons qu’ils ont quelque chose de régulier ou du moins de non aléatoire, mais cela ne signifie pas que tous les éléments sont identiques. Je pense que les rayures du zèbre en sont un exemple très familier. Tout le monde peut reconnaître cela comme un motif, mais aucune rayure n’est semblable à une autre rayure.

Je pense que nous pouvons faire des arguments pour dire que tout ce qui n’est pas purement aléatoire a une sorte de motif en lui. Il doit y avoir quelque chose dans ce système qui l’a éloigné de ce pur hasard ou, à l’autre extrême, de la pure uniformité.

Pourquoi avez-vous décidé d’écrire un livre sur les motifs naturels ?

Au départ, c’était le résultat d’avoir été rédacteur à Nature. Là, j’ai commencé à voir beaucoup de travaux passer par la revue – et plus largement par la littérature scientifique – sur ce sujet. Ce qui m’a frappé, c’est qu’il s’agit d’un sujet qui n’a pas de frontières disciplinaires naturelles. Les personnes qui s’intéressent à ce type de questions peuvent être des biologistes, des mathématiciens, des physiciens ou des chimistes. Cela m’a séduit. J’ai toujours aimé les sujets qui ne respectent pas ces frontières traditionnelles.

Mais je pense aussi que c’était les visuels. Les motifs sont juste tellement frappants, beaux et remarquables.

Puis, sous-tendant cet aspect, il y a la question : Comment la nature, sans aucun plan ou conception, peut-elle créer de tels motifs ? Quand nous faisons des motifs, c’est parce que nous l’avons planifié de cette façon, en mettant les éléments en place. Dans la nature, il n’y a pas de planificateur, mais d’une manière ou d’une autre, les forces naturelles conspirent pour donner naissance à quelque chose qui a l’air tout à fait beau.

Avez-vous un exemple préféré d’un motif trouvé dans la nature ?

Peut-être l’un des plus familiers mais vraiment l’un des plus remarquables est le motif du flocon de neige. Ils ont tous le même thème, cette sextuple symétrie hexagonale, et pourtant il semble y avoir une variété infinie dans ces flocons de neige. Le processus de leur formation est si simple. C’est la vapeur d’eau qui gèle à partir de l’air humide. Il n’y a rien de plus que cela, mais d’une manière ou d’une autre, cela crée ce motif incroyablement complexe, détaillé et magnifique.

Un autre système que nous retrouvons à plusieurs reprises dans différents endroits, à la fois dans le monde vivant et non vivant, est un motif que nous appelons les structures de Turing. Elles doivent leur nom à Alan Turing, le mathématicien qui a jeté les bases de la théorie de l’informatique. Il s’est beaucoup intéressé à la façon dont les modèles se forment. En particulier, il s’intéressait à la manière dont cela se produit dans un œuf fécondé, qui est essentiellement une cellule sphérique qui, d’une manière ou d’une autre, se transforme en quelque chose d’aussi compliqué qu’un être humain au fur et à mesure qu’il grandit et se divise.

Turing est arrivé avec une théorie qui était essentiellement une explication de la manière dont tout un tas de produits chimiques qui sont juste un peu flottants dans l’espace peuvent interagir comme pour créer des différences d’un bout d’espace à l’autre. De cette façon, les graines d’un modèle émergeront. Il a exprimé ce processus en termes mathématiques très abstraits.

Maintenant, il semble que quelque chose comme cela pourrait être responsable des motifs qui se forment sur les peaux des animaux et de certains motifs que nous voyons également chez les insectes. Mais cela apparaît aussi dans des systèmes tout à fait différents, dans les dunes de sable et les ondulations de sable qui se forment après que le vent ait soufflé du sable.

Dans votre livre, vous mentionnez le fait que la science et les mathématiques n’ont pas encore complètement expliqué certains de ces motifs. Pouvez-vous donner un exemple ?

Nous n’avons vraiment compris comment les flocons de neige obtiennent ces formations ramifiées que depuis les années 1980, même si les gens ont étudié et réfléchi à cette question pendant plusieurs centaines d’années. Pourtant, même maintenant, c’est un peu un mystère de savoir pourquoi chaque bras du flocon de neige peut être à peu près identique. C’est presque comme si un bras pouvait communiquer avec les autres pour s’assurer qu’ils grandissent d’une manière particulière. Cela reste surprenant.

De nouvelles formes de motifs sont découvertes presque aussi vite que nous pouvons trouver des explications. Il y a d’étranges modèles de végétation dans les régions semi-arides du monde où il y a des plaques de végétation séparées par des plaques de sol nu. Eux aussi semblent avoir un mécanisme de type Turing derrière eux, mais cette compréhension est très récente aussi.

Que souhaitez-vous que les lecteurs trouvent dans ce livre ?

Lorsque j’ai commencé à me pencher sur ce sujet, j’ai commencé à voir des motifs partout. Je me souviens que lorsque j’étais à mi-chemin de l’écriture de mon premier livre en 1999 et que j’étais sur une plage au Pays de Galles, j’ai soudainement réalisé que partout il y avait des motifs. Dans les nuages et le ciel, il y avait différents motifs, dans la mer, il y avait des motifs de vagues et ainsi de suite. Dans l’eau qui coulait dans le sable, il y avait un autre type de motif. Même les falaises elles-mêmes n’étaient pas purement aléatoires.

Donc, vous commencez à voir des modèles tout autour de vous. J’espère que les gens trouveront que cela leur arrive qu’ils apprécieront combien la structure qui nous entoure est modelée. Il y a juste de la splendeur et de la joie dans cela.