ZEBRA'S, ZAND EN ZEEËGELS

Philip Ball Nature’s patterns: a tapestry in three parts branches, flow, shapes Oxford university press isbn 978-0-19-923798-2, isbn 978-0-19-923797-5, isbn 978-0-19-923796-8 221 pagina’s, 190 pagina’s, 308 pagina’s

Dat zoiets ingenieus als de giftand van een slang door evolutie kan zijn ontstaan, zal de komende jaren nog wel tot discussie leiden tussen voor- en tegenstanders van de evolutietheorie, maar zelfs de meest verstokte aanhanger van intelligent design zal geen moeite hebben te accepteren dat de perfecte symmetrie van een sneeuwvlok of de regelmaat van ribbels op het zand het resultaat is van een fysisch proces. De natuur zit vol patronen en vormen en lang niet altijd is het nodig om bij het verklaren daarvan een beroep te doen op evolutie. De eerste die daar de aandacht op vestigde was de Schotse zoöloog D’Arcy Wentworth Thompson (1860-1948). Hij bestreed niet zozeer dat de vorm die iets heeft, volgt uit de functie ervan, maar merkte op dat evolutionaire processen zich afspelen op lange tijdschalen, terwijl het vormgeven van een individueel organisme zich in het hier en nu afspeelt. Thompson zag daarin dan ook een grote rol weggelegd voor de natuurwetten en de mechanismen die daaraan gehoorzaamden. In zijn boek On growth and form uit 1917 is hij de eerste die patronen en vormen in de natuur systematisch probeert te analyseren. Aan de hand van talloze voorbeelden laat hij de overeenkomsten zien tussen biologische vormen en puur mechanische verschijnselen, zoals tussen de vorm van kwallen en de manier waarop druppeltjes zich in een stroperige andere vloeistof voortbewegen. Hij probeert aan te tonen dat levende vormen feitelijk nauwelijks verschillen van niet-levende: spiraalvormige slakkenhuizen, de barokke wervelingen van stromend water, de strepen van een zebra of de geordende perfectie van een kristal. Allemaal danken ze hun opvallende vormen aan een of ander fysisch of chemisch ontstaansproces.

Hoe schitterend On growth and form ook is, Thompson kon niet veel meer doen dan catalogiseren, dan zijn stelling aannemelijk maken aan de hand van een overvloed aan voorbeelden, simpelweg omdat de gedetailleerde kennis over veel fysische en chemische processen ontbrak. De laatste jaren is echter duidelijk geworden dat hij het wel degelijk bij het rechte eind heeft gehad. Op allerlei gebieden zijn onderzoekers erin geslaagd om patronen en vormen die we in de wereld om ons heen waarnemen te verklaren. Het is de Engelse wetenschapsjournalist Philip Ball die nu een heleboel van dat onderzoek bij elkaar heeft gebracht in een schitterende trilogie Nature’s patterns. In de delen Shapes, Flow en Branches heeft hij verschillende natuurlijke patronen gerangschikt en legt hij uit welke fysische en chemische verschijnselen eraan ten grondslag liggen. Een mooi voorbeeld is het werk van de Engelse wiskundige Alan Turing. Die ontwikkelde begin jaren vijftig als eerste een theorie om de enorme rijkdom aan patronen in het dierenrijk te verklaren: van de strepen van de zebra tot de vlekken van de giraf. Zijn idee was dat deze patronen het resultaat zijn van concentratieverschillen van pigmenten. Die verplaatsen zich van de ene cel naar de andere en kunnen ook met elkaar reageren. Turing liet zien dat er zelfs uitgaande van een gelijkmatige verdeling, lokale concentratieverschillen kunnen ontstaan en daarmee verschillen in kleur. probleem was alleen dat zijn ideeën in gecompliceerde wiskundige vergelijkingen waren vervat, en dat tot in de jaren tachtig duurde voor men doorkreeg wat Turing bedoeld had. Opeens werd duidelijk waarom een zebra strepen heeft en hoe een luipaard aan zijn vlekken komt: zelfs veranderingen in het streepjespatroon op de rug van een tropische vis en markeringen op schelpen bleken te voldoen aan Turings wetten.

Waar D’Arcy Thompson zich noodgedwongen beperkte tot het waarnemen van statische patronen kan Ball zich in het deel getiteld Flow uitleven, als hij ook de dynamiek van allerlei processen, en de patronen die daar weer uit volgen in beschouwing neemt. Leonardo Da Vinci was al gefascineerd door de wervelingen van stromend water en ook andere schilders hebben geprobeerd die continu wisselende patronen vast te leggen. Ball is niet tevreden met vastleggen, hij wil snappen hoe iets zit en hij stelt daarbij leuke vragen: hoe komt het bijvoorbeeld dat in een turbulente en voortdurend veranderende atmosfeer van Jupiter al driehonderd jaar toch die stabiele grote rode vlek kan bestaan? Want stromingen en turbulentie mogen dan voor wetenschappers nog altijd lastig te vatten fenomenen zijn, inmiddels is er wel veel meer begrip. Zo is duidelijk geworden dat vergelijkbare formules en vergelijkingen ten grondslag liggen aan op het oog volkomen verschillende verschijnselen, of het nu de stromende lucht is in de atmosfeer, het water in de golfstromen van de oceanen, de zandkorrels in de woestijn, of zelfs de spreeuwen in een zwerm, die op zomerse avonden een wonderlijk schouwspel opvoeren dat gecoördineerd lijkt door een onzichtbare dirigent. Dat we in een betrekkelijk korte tijd zo veel meer inzicht hebben verworven in die veelheid van verschijnselen is volgens Ball in grote mate te danken aan de almaar toenemende rekenkracht van de computer. Veel modellen die patroonvorming beschrijven zijn op het oog uiterst simpel, maar kunnen niet of nauwelijks met de hand worden doorgerekend. Fractalen, patronen die naarmate je op steeds kleinere schaal kijkt, toch hetzelfde blijven, werden zelfs eerst in de computer ontdekt, voordat duidelijk werd dat de wereld om ons heen er vol van is: bliksems, bloedvaten, allerlei soorten planten.

Ongetwijfeld zullen er critici zijn die aanvoeren dat deze wetenschappelijke zoektocht naar de oorzaak en achtergrond van veel verschijnselen afdoet aan de schoonheid ervan: je moet de regenboog niet willen verklaren. Bij mij wekt het eerder ontzag en verwondering dat minieme veranderingen in begincondities, of in de specifieke details van een interactie zo’n enorme variatie kunnen opleveren. Ball behandelt die veelheid aan verschijnselen vanuit een enorm brede kennis en schijnbaar moeiteloos weet hij verbanden te leggen. Een nadeel is wel dat hij maar één versnelling kent en alles in een bijna continue stroom over de lezer uitstort. Je moet af en toe het boek echt even dichtdoen om op adem te komen. Ook wat teleurstellend is de gebrekkige kwaliteit van de zwart-wit illustraties. Elk van de drie delen bevat weliswaar een paar kleurenfoto’s, maar die staan in het midden van elk boek bij elkaar. Een trilogie als deze, die het antwoord biedt op veel van de vragen die D’Arcy Thompson opwierp, verdient een prachtige uitgave op glanzend papier.