De piggete grenene til et apepusletre. Joshua Bruce Allen/Shutterstock
Hvis øynene dine noen gang har blitt trukket til arrangementet av blader på en plantestamme, teksturen til en ananas eller skjellene til en kongle, så har du ubevisst vært vitne til strålende eksempler på matematiske mønstre i naturen.
Det som binder alle disse botaniske trekkene sammen er deres felles karaktertrekk ved å være arrangert i spiraler som følger en numerisk sekvens kalt Fibonacci sekvens. Disse spiralene, referert til som Fibonacci-spiraler for enkelhets skyld, er ekstremt utbredt i planter og har fascinert forskere fra Leonardo da Vinci til Charles Darwin.
Slik er utbredelsen av Fibonacci-spiraler i planter i dag at de antas å representere en eldgammelt og svært bevart trekk, som dateres tilbake til de tidligste stadiene av planteevolusjon og vedvarer i deres nåværende former.
Men vår ny studie utfordrer dette synspunktet. Vi undersøkte spiralene i bladene og reproduktive strukturer til en fossil plante som dateres tilbake 407 millioner år. Overraskende nok oppdaget vi at alle spiralene som ble observert i denne spesielle arten ikke fulgte den samme regelen. I dag er det bare noen få planter som ikke følger et Fibonacci-mønster.
Holly-Anne Turner, førsteforfatter av studien, skapte digitale 3D-modeller av Asteroxylon mackiei ved University of Edinburgh. Luisa-Marie Dickenmann/University of Edinburgh, CC BY-NC-ND
Hva er Fibonacci-spiraler?
Spiraler forekommer ofte i naturen og kan sees i planteblader, dyreskjell og til og med i den doble helixen til vårt DNA. I de fleste tilfeller er disse spiralene knyttet til Fibonacci-sekvensen - et sett med tall der hver er summen av de to tallene som kommer foran den (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 og så videre).
Disse mønstrene er spesielt utbredt i planter og kan til og med gjenkjennes med det blotte øye. Hvis du tar opp en kongle og ser på basen, kan du se de treaktige skjellene danner spiraler som konvergerer mot festepunktet med grenen.
Til å begynne med kan du bare se spiraler i én retning. Men se nøye, og du kan se både med og mot klokken spiraler. Tell nå antallet spiraler med og mot klokken, og i nesten alle tilfeller vil antallet spiraler være heltall i Fibonacci-sekvensen.
Den samme konglefargen er kodet for å vise 8 spiraler med klokken og 13 mot klokken. 8 og 13 er fortløpende tall i Fibonacci-serien. Sandy Hetherington, Forfatter gitt
Dette spesielle tilfellet er ikke et unntakstilfelle. I en studere som analyserte 6,000 kongler, ble Fibonacci-spiraler funnet i 97 % av de undersøkte konglene.
Fibonacci-spiraler finnes ikke bare i kongler. De er vanlige i andre planteorganer som blader og blomster.
Hvis du ser på tuppen av et løvskudd, som for eksempel et apepusletre, kan du se at bladene er ordnet i spiraler som starter på tuppen og gradvis snirkler seg rundt stilken. EN studere av 12,000 650 spiraler fra over 90 plantearter fant at Fibonacci-spiraler forekommer i over XNUMX % av tilfellene.
På grunn av deres hyppighet i levende plantearter, har det lenge vært antatt at Fibonacci-spiraler var eldgamle og svært bevart i alle planter. Vi satte oss for å teste denne hypotesen med en undersøkelse av tidlige plantefossiler.
Eksempler på levende planter med Fibonacci-spiraler. Fra venstre til høyre: spiraler i blader av apepusletrær, en kongle og i blomsten til en tusenfryd ved havet. Sandy Hetherington, Forfatter gitt
Ikke-Fibonacci spiraler i tidlige planter
Vi undersøkte arrangementet av blader og reproduktive strukturer i den første gruppen av planter som er kjent for å ha utviklet blader, kalt klubbmoser.
Spesifikt studerte vi plantefossiler av den utdødde klubbmosearten Asteroxylon mackiei. Fossilene vi studerte er nå plassert i museumssamlinger i Storbritannia og Tyskland, men ble opprinnelig samlet fra Rhynie chert – et fossilsted i Nord-Skottland.
Vi tok bilder av tynne skiver av fossiler og brukte deretter digitale rekonstruksjonsteknikker for å visualisere arrangementet av Asteroxylon mackiei's blader i 3D og kvantifiser spiralene.
Basert på denne analysen oppdaget vi at bladarrangementet var svært varierende i Asteroxylon mackiei. Faktisk var ikke-Fibonacci-spiraler det vanligste arrangementet. Oppdagelsen av ikke-Fibonacci-spiraler i et så tidlig fossil er overraskende ettersom de er svært sjeldne i levende plantearter i dag.
Livsrekonstruksjon av fossil Asteroxylon mackiei. Matt Humpage/Northern Rogue Studios, CC BY-NC-ND
Distinkt evolusjonshistorie
Disse funnene endrer vår forståelse av Fibonacci-spiraler i landplanter. De antyder at ikke-Fibonacci-spiraler var eldgamle i klubbmoser, og snudde oppfatningen om at alle bladplanter begynte å vokse blader som fulgte Fibonacci-mønsteret.
Videre antyder det at bladevolusjon og Fibonacci-spiraler i klubbmoser hadde en evolusjonshistorie som var forskjellig fra andre grupper av levende planter i dag, som bregner, bartrær og blomstrende planter. Det antyder at Fibonacci-spiraler dukket opp separat flere ganger gjennom planteutviklingen.
Verket legger også en del til puslespillet til et stort evolusjonært spørsmål – hvorfor er Fibonacci-spiraler så vanlige i planter i dag?
Dette spørsmålet fortsetter å skape debatt blant forskere. Ulike hypoteser er foreslått, inkludert til maksimere mengden lys som hvert blad mottar eller til pakke frø effektivt. Men funnene våre fremhever hvordan innsikt fra fossiler og planter som klubbmoser kan gi viktige ledetråder for å finne et svar.
Om forfatteren
Sandy Hetherington, planteevolusjonsbiolog, Universitetet i Edinburgh og Holly-Anne Turner, PhD-kandidat, paleobotani, University College Cork
Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.
Bøker om miljøet fra Amazons bestselgerliste
"Stille vår"
av Rachel Carson
Denne klassiske boken er et landemerke i miljøvernets historie, og trekker oppmerksomheten til skadevirkningene av plantevernmidler og deres innvirkning på den naturlige verden. Carsons arbeid bidro til å inspirere den moderne miljøbevegelsen og er fortsatt relevant i dag, mens vi fortsetter å kjempe med utfordringene med miljøhelse.
Klikk for mer info eller for å bestille
"Den ubeboelige jorden: Livet etter oppvarming"
av David Wallace-Wells
I denne boken gir David Wallace-Wells en sterk advarsel om de ødeleggende effektene av klimaendringer og det presserende behovet for å håndtere denne globale krisen. Boken trekker på vitenskapelig forskning og eksempler fra den virkelige verden for å gi et nøkternt blikk på fremtiden vi står overfor hvis vi ikke tar grep.
Klikk for mer info eller for å bestille
"The Hidden Life of Trees: Hva de føler, hvordan de kommuniserer? Oppdagelser fra en hemmelig verden"
av Peter Wohlleben
I denne boken utforsker Peter Wohlleben trærnes fascinerende verden og deres rolle i økosystemet. Boken bygger på vitenskapelig forskning og Wohllebens egne erfaringer som skogbruker for å gi innsikt i de komplekse måtene trær samhandler med hverandre og naturen på.
Klikk for mer info eller for å bestille
"Huset vårt er i brann: Scener av en familie og en planet i krise"
av Greta Thunberg, Svante Thunberg og Malena Ernman
I denne boken gir klimaaktivisten Greta Thunberg og hennes familie en personlig beretning om deres reise for å øke bevisstheten om det presserende behovet for å ta tak i klimaendringer. Boken gir en kraftfull og rørende beretning om utfordringene vi står overfor og behovet for handling.
Klikk for mer info eller for å bestille
"Den sjette utryddelsen: en unaturlig historie"
av Elizabeth Kolbert
I denne boken utforsker Elizabeth Kolbert den pågående masseutryddelsen av arter forårsaket av menneskelig aktivitet, ved å trekke på vitenskapelig forskning og eksempler fra den virkelige verden for å gi et nøkternt blikk på virkningen av menneskelig aktivitet på den naturlige verden. Boken tilbyr en overbevisende oppfordring til handling for å beskytte mangfoldet av liv på jorden.
