植物在自然界中占有非常重要的地位,岁月流变、气候变迁、地质运动、生境更迭,植物历久弥新,在不断演化中保持着不息的生命力。中科院之声与中国科学院武汉植物园联合开设“芳草萋萋”,在这里,我们关注植物的生存、竞争、繁衍、死亡,展示自然界的奇特多姿,探索神奇的生命秘境,了解植物给人类带来的无限美好,致敬这无声无息又蓬勃多姿的植物世界。
植物和数学,听起来似乎是两个风马牛不相及的研究领域,但是它们如何能扯上关系呢?这个问题,就需要科学来给我们解答了。科学研究工作者通过长期的观察分析惊奇地发现:自然界各种植物生长,在某些方面都合乎一定的数学规律。
科学家们还发现某些植物的花瓣、萼片、果实的数目以及其他方面的特征,都非常吻合一个奇特的数列,世界上最著名的数列之一——斐波那契数列:1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……
打开植物王国的大门,就会发现向日葵花盘内花朵的排列不是杂乱无章的,而是暗藏数学逻辑之美的哦!向日葵的花序中央的管状花和种子从中心点向外,每圈数量分别为1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144、233......按照斐波纳契数列的规律排列,即后一数字为前面两个数字之和。
常见的菊科植物,诸如木茼蒿Argyranthemum frutescens和松果菊Echinacea purpurea的花盘都能看到斐波那契螺旋线,而且花盘越大越明显,向日葵只是一个典型代表。植物的花盘之所以呈现出斐波那契螺旋线,是因为这样的排列可以使种子得到最佳的堆集效果,彼此的生长空间相似,可以充分利用阳光和空气,有利于后代繁衍。
树木在生长过程中,由于新生出的枝条,往往需要“休息”一段时间,汲取储存更多的营养物质供自身生长,而后才能萌发出新的枝条。所以,一株树苗在一段间隔,例如一年,以后长出一条新枝;第二年新枝“休息”,老枝依旧萌发;此后,老枝与“休息”过一年的枝同时萌发,当年生的新枝则次年“休息”。这样,一株树木各个年份的枝桠数,便构成斐波那契数列。
细细观察,我们就可以发现自然界中有1个花瓣的红掌花、牵牛花,2个花瓣的铁海棠、虎刺梅,3个花瓣的铁兰、三角梅。而最常见的花瓣数就是5,像桃花、梅花等都有5个花瓣,鸢尾花、百合花(看上去是6片,实际上是两套3片)是3片花瓣,还有8个花瓣的飞燕草、波斯菊,13个花瓣的瓜叶菊和万寿菊,21个花瓣的紫菀。
向日葵的花瓣有的是21枚,有的是34枚,而大多数的雏菊都是34瓣、55瓣或89瓣,这些数字的花瓣在植物界很常见,而其他数字的就相对很少。
其实,斐波那契数列与自然、生活、科学上的联系还有很多。斐波那契数列像一曲灵动而曼妙的音符,用它极其美丽又和谐的曲调谱写着大自然神奇美妙的节奏,而且斐波那契数列还把数学的对称美、奇异美、统一美等美的特性体现得淋漓尽致。生活中惊喜无处不在,植物中的斐波那契数列,就是大自然用它最独特的方式带给我们的科学启迪与艺术灵感,让我们感受到了大自然的和谐与数学世界的奇妙。