你吃过的每一枚鸡蛋,都能在这个数学公式里找到

作者: 白德凡

来源: 环球科学

发布日期: 2021-09-09

科学家们探索如何用数学公式描述鸡蛋和其他鸟蛋的形状,并分析这些形状的形成原因,发现鸟蛋形状与孵化环境、巢穴规模、幼鸟发育模式等因素没有明显关联,但与成鸟的飞行能力有关。

你吃过的每一枚鸡蛋,都能在这个数学公式里找到。鸡蛋人人都会画,不过为这种形状找到数学描述却不是件容易的事。能不能写出一个通用的数学公式,来还原任何一个鸡蛋的几何形状?而在鸡蛋之外,其他鸟蛋的形状更是五花八门,如何从数学上描述这些形状,以及这些形状从何而来,一直吸引着科学家们探索……

“卵形”是什么?世界上没有两片相同的树叶,世界上也没有两个相同的鸡蛋。但是比起树叶,不同的鸡蛋看上去似乎更相似一些。

在画鸡蛋的时候,任何人都会画成一头大一头小的不对称椭圆形,仿佛鸡蛋就是照着这样的模板长出来的。可是这个模板真的存在吗?换句话说,所有的鸡蛋真的长着同一种形状吗?我们习惯于把鸡蛋的形状叫做“卵形”(ovoid),然而卵形并不像圆形、椭圆形等在数学上有明确的定义,它只是泛指一大类看起来像鸡蛋的几何形状。

解答这个问题的关键在于,为鸡蛋找到一个通用的数学描述。

对于现实中任何一个鸡蛋,如果我们只需要测量几个参数,代入公式就能还原出这个鸡蛋的几何形状,那我们才能说确定了鸡蛋的形状。研究鸡蛋的形状不只是出于好玩,它还在许多领域有应用的潜力。例如,知晓鸡蛋形状的数学描述后,我们可以方便地计算鸡蛋的体积和表面积,而这对于蛋的孵化和品质评级有指导意义。

再比如,鸡蛋以极少的耗材承受住巨大的荷载,这个特性启发了建筑学和仿生学界的研究人员,而描述鸡蛋形状的通用数学公式可以帮助他们更好地完成设计。因此,鸡蛋的形状其实是个严肃的学术问题,一直吸引着数学家、工程师和生物学家来研究。

在对鸡蛋形状进行探索的同时,一些研究人员把眼界放得更广,他们关注的是所有鸟类的蛋。自然界中鸟蛋的形状千奇百怪,远不是卵形这一种形状能概括的:鸸鹋、宽尾煌蜂鸟的蛋是典型的扁长椭球形;鸵鸟、长尾林鸮的蛋则没有那么扁长,非常接近球形;而许多海鸟和涉禽,例如崖海鸦、美洲小滨鹬、黑额鸻等等,它们的蛋呈现出一头尖一头钝的梨形。既然描述鸡蛋形状的数学公式已经找到了,可不可以再找到对所有鸟蛋形状适用的数学公式呢?

什么决定了鸟蛋的形状?到现在为止,我们只回答了鸟蛋形状“是什么”的问题,接下来我们自然会追问“为什么”:鸟蛋为什么会有这么多的形状?对于这个问题,许多科学家习惯从演化的角度分析,不同的形状也许赋予了鸟蛋不同的适应性功能。例如,海鸟多在陡峭的崖壁上筑巢,而梨形的蛋滚动起来容易以尖头为中心原地打转,可以避免从高处滚落。也有人推测,不同形状的鸟蛋拥有不同的孵化效率,有可能是对巢穴规模的适应结果。

还有人认为,梨形鸟蛋在钝的一端给了气孔更大的空间,有助于幼鸟的发育,因而更适合早成鸟。

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