Kurvan i en kameleons svans, spiralen i en tallkotts fjäll och de krusningar som skapas av vinden som rör sandkorn har alla förmågan att fånga ögat och fascinera sinnet. När Charles Darwin först lade fram teorin om evolution genom naturligt urval 1859 uppmuntrade han vetenskapsentusiaster att hitta orsaker till de naturliga mönster som man kan se hos djur på land, fåglar i luften och havsdjur. Påfågelns fjäderdräkt och hajens fläckar måste tjäna något adaptivt syfte, trodde de ivrigt.
Men en person såg allt detta som ”överdriven entusiasm”, skriver den engelske vetenskapsmannen och författaren Philip Ball i sin nya bok, Patterns in Nature: Why the Natural World Looks the Way it Does. Den skotske zoologen D’Arcy Wentworth Thompson pressades att publicera en egen avhandling 1917 där han förklarade att till och med naturens kreativitet begränsas av lagar som genereras av fysiska och kemiska krafter. Thompsons idéer kolliderade inte med Darwins teori, men de pekade på att andra faktorer spelade in. Medan det naturliga urvalet kan förklara varför tigerns ränder är en strategi för att smälta in i skuggorna på gräsmarker och i skogen, kan det sätt på vilket kemikalier diffunderar genom vävnader under utveckling förklara hur pigment hamnar i band av mörkt och ljust, liksom varför liknande mönster kan dyka upp på en havsanemon.
I Patterns in Nature tar Ball med sig sin egen bakgrund som fysiker och kemist samt mer än 20 års erfarenhet som redaktör för den vetenskapliga tidskriften Nature. Hans första bok, som publicerades 1999 (The Self-Made Tapestry), och en trilogi, som publicerades 2009 (Nature’s Patterns: Shapes, Flow, Branches), utforskar ämnet naturliga mönster, men ingen av dem har så rika visuella bilder som hans senaste.
De livfulla fotografierna i boken är viktiga, förklarar Ball, eftersom en del av mönstren bara kan uppskattas fullt ut genom upprepning. ”Det är när man ser flera av dem sida vid sida i härliga detaljer som man börjar få en känsla för hur naturen tar ett tema och kör med det”, säger han.
De förklaringar som Ball ger är enkla och graciösa, som när han förklarar hur en blöt fläck på marken kan torka ut till ett sprucket landskap. ”Det torra lagret på ytan försöker krympa i förhållande till det fortfarande fuktiga lagret nedanför, och marken blir genomgående spänd av spänning”, skriver han.
Men han erbjuder också tillräckligt med detaljer för att fascinera både forskare och konstnärer. De fantastiska fotografierna har tagits fram av designers på Marshall Editions, ett förlag på Quarto Group i London, som licensierat boken till University of Chicago Press.
Ball talade med Smithsonian.com om sin bok och sina inspirationer.
Vad exakt är ett mönster?
Jag lät det vara något tvetydigt i boken, med flit, eftersom det känns som om vi känner igen det när vi ser det. Traditionellt sett tänker vi på mönster som något som bara upprepas om och om igen i hela rummet på ett identiskt sätt, ungefär som ett tapetmönster. Men många mönster som vi ser i naturen är inte riktigt så. Vi känner att det finns något regelbundet eller åtminstone inte slumpmässigt över dem, men det betyder inte att alla element är identiska. Jag tror att ett mycket välkänt exempel på detta är zebrans ränder. Alla kan känna igen det som ett mönster, men ingen rand är lik någon annan rand.
Jag tror att vi kan argumentera för att säga att allt som inte är rent slumpmässigt har ett slags mönster. Det måste finnas något i systemet som har dragit det bort från den rena slumpmässigheten eller, i den andra extremen, från den rena likformigheten.
Varför bestämde du dig för att skriva en bok om naturliga mönster?
I början var det ett resultat av att ha varit redaktör på Nature. Där började jag se en hel del arbete komma genom tidskriften – och genom den vetenskapliga litteraturen i stort – om detta ämne. Det som slog mig var att det är ett ämne som inte har några naturliga disciplinära gränser. Personer som är intresserade av den här typen av frågor kan vara biologer, matematiker, fysiker eller kemister. Det tilltalade mig. Jag har alltid gillat ämnen som inte respekterar dessa traditionella gränser.
Men jag tror också att det var det visuella. Mönstren är bara så slående, vackra och anmärkningsvärda.
Det är frågan som ligger till grund för den aspekten: Hur kan naturen utan någon form av ritning eller design sätta ihop sådana här mönster? När vi skapar mönster är det för att vi har planerat det på det sättet, genom att sätta elementen på plats. I naturen finns det ingen planerare, men på något sätt samverkar naturkrafterna för att åstadkomma något som ser ganska vackert ut.
Har du något favoritexempel på ett mönster som finns i naturen?
Ett av de mest välkända, men också ett av de mest anmärkningsvärda, är kanske snöflingornas mönster. De har alla samma tema – denna sexfaldiga, hexagonala symmetri – och ändå verkar det bara finnas en oändlig variation inom dessa snöflingor. Det är en så enkel process som ligger bakom deras bildning. Det är vattenånga som fryser ut ur fuktig luft. Det finns inget mer än så, men på något sätt skapas detta otroligt intrikata, detaljerade och vackra mönster.
Ett annat system som vi finner dyker upp om och om igen på olika ställen, både i den levande och den icke-levande världen, är ett mönster som vi kallar Turing-strukturer. De är uppkallade efter Alan Turing, matematikern som lade grunden till teorin om beräkning. Han var mycket intresserad av hur mönster bildas. I synnerhet var han intresserad av hur det sker i ett befruktat ägg, som i princip är en sfärisk cell som på något sätt blir mönstrad till något så komplicerat som en människa när den växer och delar sig.
Turing kom med en teori som i princip var en förklaring till hur en hel massa kemikalier som bara flyter omkring i rymden kan interagera för att skapa skillnader från en bit av rymden till en annan. På detta sätt kommer fröna till ett mönster att uppstå. Han uttryckte denna process i mycket abstrakta matematiska termer.
Nu verkar det som om något liknande skulle kunna ligga bakom de mönster som bildas på djurhudar och vissa mönster som vi också ser hos insekter. Men det förekommer också i några helt andra system, i sanddyner och sandribbor som bildas efter att vinden har blåst sand.
I din bok nämner du det faktum att vetenskapen och matematiken ännu inte helt och hållet har förklarat en del av dessa mönster. Kan du ge ett exempel?
Vi har först på 1980-talet riktigt förstått hur snöflingor får dessa förgrenade formationer, trots att människor har studerat och tänkt på den frågan i flera hundra år. Ändå är det fortfarande lite av ett mysterium varför varje arm av snöflingan kan vara ganska identisk. Det är nästan som om en arm kan kommunicera med de andra för att se till att de växer på ett speciellt sätt. Det är fortfarande förvånande.
Nya former av mönster upptäcks nästan lika snabbt som vi kan hitta förklaringar. Det finns märkliga vegetationsmönster i halvtorra områden i världen där det finns fläckar med vegetation som skiljs åt av fläckar med bar mark. Även de verkar ha en Turing-liknande mekanism bakom sig, men den förståelsen är också mycket ny.
Vad hoppas du att läsarna kommer att finna i boken?
När jag började undersöka det här ämnet började jag se mönster överallt. Jag minns att när jag var halvvägs in i skrivandet av min första bok 1999 och jag befann mig på en strand i Wales, insåg jag plötsligt att överallt fanns mönster. I molnen och himlen fanns det olika mönster, det fanns vågmönster och så vidare i havet. I vattnet som rann ner genom sanden fanns det olika slags mönster. Till och med själva klipporna var inte rent slumpmässiga.
Så börjar man se mönster överallt runt omkring sig. Jag hoppas att människor kommer att upptäcka att detta händer dem att de kommer att uppskatta hur mycket struktur som omger oss är mönstrad. Det finns bara prakt och glädje i det.