猴子拼图树的尖刺树枝。 约书亚·布鲁斯·艾伦/Shutterstock
如果你的眼睛曾经被植物茎上叶子的排列、菠萝的纹理或松果的鳞片所吸引，那么你在不知不觉中目睹了自然界数学模式的辉煌例子。
将所有这些植物特征联系在一起的是它们的共同特征，即按照称为“螺旋”的数字序列排列成螺旋状。 斐波那契数列。 这些螺旋线，为简单起见，被称为斐波那契螺旋线，在植物中极为普遍，并令从列奥纳多·达·芬奇到查尔斯·达尔文的科学家们着迷。
斐波那契螺旋线在今天的植物中如此普遍，以至于人们相信它们代表了一种 古老且高度保存的特征，可以追溯到植物进化的最早阶段，并以目前的形式持续存在。
但是，我们的 新的研究 挑战了这一观点。 我们检查了 407 亿年前植物化石的叶子螺旋和生殖结构。 令人惊讶的是，我们发现在这个特定物种中观察到的所有螺旋并不遵循同样的规则。 如今，只有极少数植物不遵循斐波那契模式。
该研究的第一作者 Holly-Anne Turner 在爱丁堡大学创建了 Asteroxylon mackiei 的数字 3D 模型。 路易莎·玛丽·迪肯曼/爱丁堡大学, CC BY-NC-ND
什么是斐波那契螺旋线？
螺旋在自然界中经常出现，在植物叶子、动物壳甚至我们 DNA 的双螺旋中都可以看到。 在大多数情况下，这些螺旋与斐波那契数列相关 - 一组数字，其中每个数字都是其前面的两个数字的总和（1、1、2、3、5、8、13、21 等）。
这些图案在植物中特别普遍，甚至可以用肉眼识别。 如果你拿起一个松果并观察其底部，你可以看到木质鳞片形成螺旋状，并汇聚到与树枝的附着点。
一开始，您可能只能发现一个方向的螺旋。 但仔细观察，你可以看到顺时针和逆时针螺旋。 现在计算顺时针和逆时针螺旋的数量，几乎在每种情况下，螺旋的数量都是斐波那契数列中的整数。
相同的松果颜色编码显示 8 个顺时针螺旋和 13 个逆时针螺旋。 8 和 13 是斐波那契数列中的连续数字。 桑迪·赫瑟林顿, 作者提供
这个特殊的例子并非特例。 在一个 根据一项研究， 分析了 6,000 个松果后，97% 的松果中都发现了斐波那契螺旋线。
斐波那契螺旋不仅仅存在于松果中。 它们在其他植物器官中很常见，例如叶子和花。
如果你观察多叶枝条的尖端，例如猴子拼图树的尖端，你会发现叶子呈螺旋状排列，从尖端开始，逐渐围绕茎缠绕。 A 根据一项研究， 通过对 12,000 多种植物的 650 个螺旋进行分析发现，90% 以上的情况都出现斐波那契螺旋。
由于斐波那契螺旋在现存植物物种中出现的频率很高，人们长期以来一直认为斐波那契螺旋是古老的，并且在所有植物中都高度保守。 我们着手通过对早期植物化石的研究来检验这一假设。
具有斐波那契螺旋线的活植物的例子。 从左到右：猴子拼图树的叶子、松果和海滨雏菊花的螺旋。 桑迪·赫瑟林顿, 作者提供
早期植物中的非斐波那契螺旋
我们检查了第一组已知已发育叶子的植物的叶子排列和生殖结构，称为 石松属.
具体来说，我们研究了已灭绝的石松物种的植物化石 紫苑木。 我们研究的化石现在收藏在英国和德国的博物馆中，但最初是从 雷尼燧石 – 苏格兰北部的化石遗址。
我们拍摄了化石薄片的图像，然后使用数字重建技术将化石的排列可视化 紫苑木 绘制 3D 叶子并量化螺旋。
基于此分析，我们发现叶子排列变化很大 紫苑木。 事实上，非斐波那契螺旋是最常见的排列。 在如此早期的化石中发现非斐波那契螺旋令人惊讶，因为它们在当今的活植物物种中非常罕见。
化石 Asteroxylon mackiei 的生命重建。 马特·汉佩奇/Northern Rogue Studios, CC BY-NC-ND
独特的进化历史
这些发现改变了我们对陆地植物斐波那契螺旋的理解。 他们认为，非斐波那契螺旋在石松植物中很古老，推翻了所有绿叶植物开始生长遵循斐波那契模式的叶子的观点。
此外，它表明石松植物的叶子进化和斐波那契螺旋具有与当今其他活植物群（例如蕨类植物、针叶树和开花植物）不同的进化历史。 这表明斐波那契螺旋在植物进化过程中多次单独出现。
这项工作还为一个重大进化问题的谜题增添了另一块内容——为什么斐波那契螺旋线在当今的植物中如此普遍？
这个问题继续在科学家中引起争论。 人们提出了各种假设，包括 最大化光量 每片叶子接收或到 高效包装种子。 但我们的研究结果凸显了来自化石和石柱苔等植物的见解如何为寻找答案提供重要线索。
关于作者
桑迪·赫瑟林顿，植物进化生物学家， 爱丁堡大学 和 霍莉·安妮·特纳，博士研究生，古植物学， 科克大学学院
亚马逊畅销书榜单中有关环境的书籍
《寂静的春天》
通过雷切尔·卡森（Rachel Carson）
这本经典著作是环保主义史上的里程碑，它引起了人们对农药的有害影响及其对自然界的影响的关注。 卡森的工作帮助激发了现代环境运动，并且在我们继续应对环境健康挑战的今天仍然具有现实意义。
《不适宜居住的地球：变暖后的生活》
作者：David Wallace-Wells
在本书中，大卫·华莱士-威尔斯 (David Wallace-Wells) 就气候变化的破坏性影响以及解决这场全球危机的迫切需要提出了严厉警告。 这本书借鉴了科学研究和现实世界的例子，以清醒的眼光审视如果我们不采取行动我们将面临的未来。
“树木的隐藏生命：它们的感受，它们如何交流？来自秘密世界的发现”
彼得·沃勒本
在这本书中，Peter Wohlleben 探索了迷人的树木世界及其在生态系统中的作用。 这本书借鉴了科学研究和 Wohlleben 自己作为一名林务员的经验，以深入了解树木与彼此和自然世界相互作用的复杂方式。
“我们的房子着火了：一个家庭和一个星球的危机场景”
作者：Greta Thunberg、Svante Thunberg 和 Malena Ernman
在这本书中，气候活动家 Greta Thunberg 和她的家人讲述了他们提高人们对应对气候变化的紧迫性的认识的旅程。 这本书有力而感人地描述了我们面临的挑战和采取行动的必要性。
“第六次灭绝：一部不自然的历史”
伊丽莎白科尔伯特
在这本书中，伊丽莎白·科尔伯特探讨了人类活动造成的物种大灭绝，利用科学研究和现实世界的例子，以冷静的眼光审视人类活动对自然界的影响。 这本书发出了令人信服的行动呼吁，以保护地球上生命的多样性。
