The Science Behind Nature’s Patterns

Il ricciolo della coda di un camaleonte, la spirale delle squame di una pigna e le increspature create dal vento che muove i granelli di sabbia hanno tutti il potere di catturare l’occhio e intrigare 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 visti nelle bestie di terra, negli uccelli dell’aria e nelle creature del mare. Il piumaggio del pavone, le macchie di uno squalo devono servire a qualche scopo adattivo, supponevano avidamente.

Tuttavia una persona vedeva tutto questo come “entusiasmo incontrollato”, scrive lo scienziato e scrittore inglese Philip Ball nel suo nuovo libro, Patterns in Nature: Why the Natural World Looks the Way it Does. Lo zoologo scozzese D’Arcy Wentworth Thompson fu spinto a pubblicare il suo trattato nel 1917 spiegando che anche la creatività della natura è limitata da leggi generate da forze fisiche e chimiche. Le idee di Thompson non si scontravano con la teoria di Darwin, ma sottolineavano che altri fattori erano in gioco. Mentre la selezione naturale potrebbe spiegare il perché delle strisce di una tigre – una strategia per confondersi con le ombre nelle praterie e nelle foreste – il modo in cui le sostanze chimiche si diffondono attraverso i tessuti in via di sviluppo può spiegare come i pigmenti finiscono in bande di luce e di buio, così come il motivo per cui modelli simili possono spuntare su un anemone di mare.

In Patterns in Nature, Ball porta il suo background di fisico e chimico e più di 20 anni di esperienza come editore della rivista scientifica Nature. Il suo primo libro, pubblicato nel 1999 (The Self-Made Tapestry), e una trilogia, pubblicata nel 2009 (Nature’s Patterns: Shapes, Flow, Branches), esplorano il tema dei modelli naturali, ma nessuno dei due ha una grafica così ricca come il suo ultimo libro.

Le vivide fotografie del libro sono vitali, spiega Ball, perché alcuni dei modelli possono essere pienamente apprezzati solo attraverso la ripetizione. “E’ quando ne vedi diversi uno accanto all’altro in un dettaglio glorioso che cominci ad avere un senso di come la natura prenda un tema e lo segua”, dice.

Le spiegazioni che Ball offre sono semplici e graziose, come quando spiega come un pezzo di terra inzuppato possa asciugarsi in un paesaggio fessurato. “Lo strato secco in superficie cerca di restringersi rispetto allo strato ancora umido sottostante, e il terreno diventa sempre più teso”, scrive.

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

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

Cos’è esattamente un pattern?

L’ho lasciato leggermente ambiguo nel libro, di proposito, perché ci sembra di riconoscerlo quando lo vediamo. Tradizionalmente, pensiamo ai modelli come a qualcosa che si ripete continuamente nello spazio in modo identico, una specie di carta da parati. Ma molti modelli che vediamo in natura non sono proprio così. Percepiamo che c’è qualcosa di regolare o almeno non casuale in essi, ma questo non significa che tutti gli elementi siano identici. Penso che un esempio molto familiare sia quello delle strisce della zebra. Tutti possono riconoscerle come uno schema, ma nessuna striscia è uguale ad un’altra striscia.

Penso che possiamo dire che tutto ciò che non è puramente casuale ha una sorta di schema. Ci deve essere qualcosa in quel sistema che lo ha allontanato dalla pura casualità o, all’altro estremo, dalla pura uniformità.

Perché ha deciso di scrivere un libro sui modelli naturali?

All’inizio, è stato il risultato di essere stato un redattore di Nature. Lì, ho iniziato a vedere un sacco di lavoro attraverso la rivista – e attraverso la letteratura scientifica più in generale – su questo argomento. Ciò che mi ha colpito è che è un argomento che non ha alcun tipo di confini disciplinari naturali. Le persone interessate a questo tipo di domande possono essere biologi, matematici, fisici o chimici. Questo mi piaceva. Mi sono sempre piaciuti i soggetti che non rispettano i confini tradizionali.

Ma penso che sia stata anche la grafica. I modelli sono così sorprendenti, belli e notevoli.

Poi, 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 dei modelli, è perché li abbiamo pianificati in quel modo, mettendo gli elementi al loro posto. In natura, non c’è un pianificatore, ma in qualche modo le forze naturali cospirano per creare qualcosa che sembra molto 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 a sei pieghe, eppure sembra esserci un’infinita varietà all’interno di questi fiocchi di neve. È un processo così semplice quello che porta alla loro formazione. È il vapore acqueo che congela dall’aria umida. Non c’è niente di più, ma in qualche modo crea questo modello incredibilmente intricato, dettagliato e bello.

Un altro sistema che ritroviamo sempre più spesso 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 della teoria della computazione. Era molto interessato a come si formano i modelli. In particolare, era interessato a come ciò accade in un uovo fecondato, che è fondamentalmente una cellula sferica che in qualche modo si modella in qualcosa di complicato come un essere umano mentre cresce e si divide.

Turing ha elaborato una teoria che era fondamentalmente una spiegazione di come un intero gruppo di sostanze chimiche che stanno semplicemente fluttuando nello spazio possono interagire per creare differenze da un pezzo di spazio al successivo. In questo modo, i semi di un modello emergeranno. Ha espresso questo processo in termini matematici molto astratti.

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

Nel suo libro, lei menziona il fatto che la scienza e la matematica non hanno ancora spiegato completamente alcuni di questi modelli. Può fare un esempio?

Abbiamo veramente capito come i fiocchi di neve abbiano queste formazioni ramificate solo dagli anni ’80, anche se la gente ha studiato e pensato a questa domanda per diverse centinaia di anni. Eppure ancora oggi 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 un modo speciale. Questo è ancora sorprendente.

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

Cosa spera che i lettori trovino nel libro?

Quando ho iniziato a studiare questo argomento, ho cominciato a vedere modelli ovunque. Ricordo che quando ero a metà strada nella stesura del mio primo libro, nel 1999, ed ero su una spiaggia del Galles, mi sono improvvisamente reso conto che ovunque c’erano degli schemi. Nelle nuvole e nel cielo c’erano diversi modelli, nel mare c’erano modelli di onde e così via. Nell’acqua che scorreva attraverso la sabbia, c’era un diverso tipo di disegno. Anche le stesse scogliere non erano puramente casuali.

Così, cominci a vedere schemi intorno a te. Spero che le persone si accorgano di questo e apprezzino quanto la struttura che ci circonda sia modellata. C’è solo splendore e gioia in questo.