如果你仔细观察过植物叶⽚的排列,就会发现,植物世界包含了丰富的模式。在⼤量现存的植物物种中,普遍存在⼀种独特的螺旋状叶⽚排列⽅式,这类螺旋被称为斐波那契螺旋,它们是按照斐波那契序列排列⽽成的。⻓期以来,科学家都认为,斐波那契螺旋是植物的⼀种古⽼⽽⾼度保守的特征,可以追溯到植物进化的最早阶段。然⽽,⼀项新发表于《科学》杂志的研究推翻了这⼀观点。斐波那契螺旋存在于⼤量现存植物中。
从左到右:智利南洋杉、松果、雏菊。(图/Sandy Hetherington via The conversation)⼀个古⽣物学家团队在观察了⼀种可追溯到4.07亿年前的植物化⽯的叶⽚螺旋和⽣殖结构后,他们惊讶地发现,这种在当今的⾃然界中常⻅的独特的螺旋状叶⽚排列⽅式,在最初⽣⻓在地表的最古⽼的陆地植物中并不常⻅。
螺旋存在于⾃然界的许多植物中,它们是植物组织的主要模式,顺时针和逆时针⽅向的都有,我们⽤⾁眼就可以识别。在⼤多数情况下,这些螺旋与斐波那契序列有关。在斐波那契序列中,后⼀个数字是前两个数字相加之和,也就是0,1,1,2,3,5,8,13等等。现在,如果你拿起⼀个松果,从它的底部,你会看到⽊质鳞⽚形成的向上的螺旋。
数数上⾯的顺时针和逆时针螺旋的数量,你会发现,⼏乎在所有情况下,螺旋的数量都是斐波那契序列中的整数。⽤相同的颜⾊显示了松果上的8个顺时针和13个逆时针螺旋。8和13都是斐波那契序列中的连续数字。(图/Sandy Hetherington via conversation)这样的情况并不是特例。在2015年的⼀项研究中,有科学家对6000个松果进⾏了研究中,发现97%的松果都具有斐波那契螺旋。
⼀颗典型花菜的螺旋模式,包含5个顺时针螺旋和8个逆时针螺旋,在图中以不同颜⾊框出。(图/Etienne Farcot via The Conversation)斐波那契螺旋不仅存在于松果中,也在其他植物器官中,⽐如在⼀颗典型的花菜上,通常会看到5个顺时针螺旋和8个逆时针螺旋(或者5个逆时针螺旋和8个顺时针螺旋)。智利南洋杉,它的叶⼦从顶端开始呈螺旋状逐渐绕茎旋转排列。
(图/Wikipedia)其实,在1992年的⼀项研究中,有科学家对650多种植物的12,000个螺旋进⾏了分析,并发现90%以上都存在斐波那契螺旋。斐波那契螺旋在现存植物物种中出现的频率如此之⾼,使得科学家⼀直认为,斐波那契螺旋在所有植物中都是古⽼且⾼度保守的。
在⼀项新的研究中,⼀组研究⼈员利⽤早期的植物化⽯,对这⼀理论进⾏了验证。
他们研究了已知的第⼀批⻓有叶⼦的植物的叶⼦排列和⽣殖结构,这些植物属于⽯松纲。具体的研究对象是⼀种已灭绝的被称为星⽊(Asteroxylon mackiei)的植物的化⽯。对星⽊的3D重建。(图/Matt Humpage, Northern Rogue Studios)研究⼈员拍摄了这些化⽯切⽚的图像,然后使⽤数字重建技术,以3D的形式对星⽊叶⽚的排列进⾏了可视化,并量化了其中的螺旋数量。
他们意外地发现,古⽼的星⽊有着很不⼀样的叶⽚排列,其最常⻅的排列都是⾮斐波那契螺旋的。在如此早期的化⽯中发现这么多⾮斐波那契螺旋令研究⼈员⾮常震惊,因为这样的螺旋在今天现存的植物物种中⾮常罕⻅。
这些发现改变了科学家对出现在陆⽣植物中的斐波那契螺旋的认识,推翻了所有叶类植物都是按照斐波那契模式开始⽣⻓叶⼦的观点。
这项研究还表明,⽯松植物的叶⽚进化和斐波那契螺旋的进化历史与其他现存的植物(如蕨类植物、针叶树和开花植物)不同。这意味着斐波那契螺旋在植物进化过程中多次单独出现。此外,这项⼯作还为⼀个进化问题带来了新的⻅解,即为什么斐波那契螺旋在今天的植物中如此普遍。这个问题⼀直是科学家争论的焦点,他们已经提出了各种各样的假设,⽐如这能最⼤限度地提⾼每⽚叶⼦接受的光,或这样能有效地包裹种⼦。
但新的发现让科学家意识到,从化⽯和像⽯松这类植物中获得的⻅解,或许能为找到这⼀问题的答案提供重要线索。