A ciência por trás dos padrões da natureza

A curvatura da cauda de um camaleão, a espiral das escamas de uma pinha e as ondulações criadas pelos grãos de areia movidos pelo vento têm o poder de atrair a atenção e intrigam a mente. Quando Charles Darwin propôs pela primeira vez a teoria da evolução pela seleção natural em 1859, encorajou os entusiastas da ciência a encontrar razões para os padrões naturais vistos em bestas da terra, pássaros do ar e criaturas do mar. A plumagem do pavão, as manchas de um tubarão devem servir a algum propósito adaptativo, eles supuseram ansiosamente.

No entanto, uma pessoa viu tudo isso como "entusiasmo desenfreado", escreve o cientista e escritor inglês Philip Ball em seu novo livro, Padrões na natureza: Por que o mundo natural parece o que acontece . O zoólogo escocês D'Arcy Wentworth Thompson foi pressionado a publicar seu próprio tratado em 1917, explicando que mesmo a criatividade da natureza é limitada por leis geradas por forças físicas e químicas. As idéias de Thompson não se chocaram com a teoria de Darwin, mas apontaram que outros fatores estavam em jogo. Considerando que a seleção natural pode explicar o porquê das listras de um tigre - uma estratégia para se misturar com sombras em pradarias e florestas - a maneira pela qual os produtos químicos se difundem através do desenvolvimento de tecidos pode explicar como o pigmento termina em faixas escuras e claras, bem como padrões podem surgir em uma anêmona do mar.

Em Patterns in Nature, Ball traz seu próprio histórico como físico e químico, bem como mais de 20 anos de experiência como editor para a revista científica Nature . Seu primeiro livro, publicado em 1999 ( The Self-Made Tapestry ), e uma trilogia, publicada em 2009 ( Nature's Patterns: Shapes, Flow, Branches ), exploram o tema dos padrões naturais, mas também não possuem recursos visuais tão ricos quanto os mais recentes.

Padrões na Natureza: Por que o mundo natural parece o caminho que faz

As fotografias vívidas no livro são vitais, Ball explica, porque alguns dos padrões só podem ser totalmente apreciados através da repetição. "É quando você vê vários deles lado a lado em detalhes gloriosos que você começa a ter uma noção de como a natureza tem um tema e o acompanha", diz ele.

As explicações oferecidas por Ball são simples e graciosas, como quando ele explica como um pedaço de terra encharcado pode secar em uma paisagem rachada. "A camada seca na superfície tenta encolher em relação à camada ainda úmida abaixo, e o solo fica cheio de tensão", escreve ele.

No entanto, ele também oferece detalhes suficientes para intrigar cientistas e artistas. As fotografias impressionantes foram selecionadas pelos designers da Marshall Editions, uma editora do Grupo Quarto em Londres, que licenciou o livro para a University of Chicago Press.

Ball falou com Smithsonian.com sobre seu livro e inspirações.

O que exatamente é um padrão?

Deixei um pouco ambíguo no livro, de propósito, porque parece que o sabemos quando o vemos. Tradicionalmente, pensamos em padrões como algo que se repete repetidamente no espaço de maneira idêntica, como um padrão de papel de parede. Mas muitos padrões que vemos na natureza não são assim. Sentimos que há algo regular ou pelo menos não aleatório sobre eles, mas isso não significa que todos os elementos são idênticos. Eu acho que um exemplo muito familiar disso seria as listras da zebra. Todos podem reconhecer isso como um padrão, mas nenhuma faixa é como qualquer outra faixa.

Acho que podemos argumentar que qualquer coisa que não seja puramente aleatória tem um padrão. Deve haver algo nesse sistema que o tenha afastado dessa aleatoriedade pura ou, no outro extremo, da pura uniformidade.

Por que você decidiu escrever um livro sobre padrões naturais?

No começo, foi o resultado de ter sido editor na Nature . Lá, comecei a ver muito trabalho através do periódico - e através da literatura científica mais amplamente - sobre este tópico. O que me impressionou foi que é um tópico que não tem nenhum tipo de limite disciplinar natural. As pessoas interessadas nesses tipos de perguntas podem ser biólogos, matemáticos, físicos ou químicos. Isso me atraiu. Eu sempre gostei de assuntos que não respeitam essas fronteiras tradicionais.

Mas também acho que foram os visuais. Os padrões são tão impressionantes, bonitos e notáveis.

Então, sustentando esse aspecto, está a pergunta: Como a natureza, sem qualquer tipo de modelo ou desenho, une padrões como esse? Quando fazemos padrões, é porque planejamos dessa maneira, colocando os elementos no lugar. Na natureza, não há planejador, mas de alguma forma forças naturais conspiram para produzir algo que parece muito bonito.

Você tem um exemplo favorito de um padrão encontrado na natureza?

Talvez um dos mais conhecidos, mas realmente um dos mais notáveis, seja o padrão do floco de neve. Todos eles têm o mesmo tema - essa simetria sextupla e hexagonal, e no entanto parece haver uma variedade infinita dentro desses flocos de neve. É um processo tão simples que entra em sua formação. É vapor de água congelando fora do ar úmido. Não há nada mais do que isso, mas de alguma forma cria esse padrão incrivelmente intrincado, detalhado e bonito.

Outro sistema que encontramos surgindo de novo e de novo em lugares diferentes, tanto no mundo vivo como no não-vivo, é um padrão que chamamos de estruturas de Turing. Eles são nomeados após Alan Turing, o matemático que lançou as bases para a teoria da computação. Ele estava muito interessado em como os padrões se formam. Em particular, ele estava interessado em saber como isso acontece em um óvulo fertilizado, que é basicamente uma célula esférica que de alguma forma é padronizada em algo tão complicado quanto um humano à medida que cresce e se divide.

Turing surgiu com uma teoria que era basicamente uma explicação de como um monte de substâncias químicas que estão flutuando no espaço podem interagir, criando diferenças de um bit de espaço para outro. Dessa maneira, as sementes de um padrão surgirão. Ele expressou esse processo em termos matemáticos muito abstratos.

Agora, parece que algo assim pode ser responsável pelos padrões que se formam nas peles de animais e em alguns padrões que vemos nos insetos também. Mas também aparece em sistemas bastante diferentes, em dunas de areia e ondulações de areia que se formam após o vento ter soprado areia.

Em seu livro, você menciona o fato de que a ciência e a matemática ainda não explicaram completamente alguns desses padrões. Você pode dar um exemplo?

Só compreendemos realmente como os flocos de neve obtêm essas formações ramificadas desde os anos 1980, embora as pessoas estudem e pensem sobre essa questão há várias centenas de anos. No entanto, mesmo agora é um pouco misterioso porque cada braço do floco de neve pode ser praticamente idêntico. É quase como se um braço pudesse se comunicar com os outros para garantir que eles crescessem de uma maneira especial. Isso ainda é surpreendente.

Novas formas de padrões estão sendo descobertas quase tão rápido quanto podemos encontrar explicações. Existem estranhos padrões de vegetação em regiões semi-áridas do mundo, onde há manchas de vegetação separadas por manchas de terra nua. Eles também parecem ter um mecanismo semelhante a Turing, mas essa compreensão é muito recente também.

O que você espera que os leitores encontrem no livro?

Quando comecei a investigar esse assunto, comecei a ver padrões em todos os lugares. Eu me lembro de quando estava no meio do meu primeiro livro em 1999 e estava em uma praia no País de Gales, de repente percebi que em todos os lugares havia padrões. Nas nuvens e no céu havia padrões diferentes, padrões de ondas e assim por diante no mar. Na água correndo pela areia, havia um tipo diferente de padrão. Até os próprios penhascos não eram puramente aleatórios.

Então, você começa a ver padrões ao seu redor. Espero que as pessoas achem que isso lhes aconteça e que apreciem o quanto a estrutura que nos rodeia é padronizada. Há apenas esplendor e alegria nisso.