Колючие ветки обезьяньего дерева-головоломки. Джошуа Брюс Аллен/Shutterstock
Если ваши глаза когда-либо привлекали расположение листьев на стебле растения, текстуру ананаса или чешуйки сосновой шишки, то вы, сами того не зная, были свидетелями блестящих примеров математических закономерностей в природе.
Что связывает все эти ботанические особенности вместе, так это их общая характеристика, состоящая в том, что они расположены в виде спиралей, которые придерживаются числовой последовательности, называемой числовой последовательностью. Последовательность Фибоначчи. Эти спирали, для простоты называемые спиралями Фибоначчи, чрезвычайно широко распространены в растениях и восхищали ученых от Леонардо да Винчи до Чарльза Дарвина.
Распространенность спиралей Фибоначчи в растениях сегодня такова, что считается, что они представляют собой древний и хорошо сохранившийся объект, восходящие к самым ранним стадиям эволюции растений и сохранившиеся в своих нынешних формах.
Однако наши Новое исследование оспаривает эту точку зрения. Мы исследовали спирали в листьях и репродуктивных структурах окаменелого растения возрастом 407 миллионов лет. Удивительно, но мы обнаружили, что все спирали, наблюдаемые у этого конкретного вида, не подчинялись этому же правилу. Сегодня лишь очень немногие растения не следуют модели Фибоначчи.
Холли-Энн Тернер, первый автор исследования, создающая цифровые 3D-модели Asteroxylon mackiei в Эдинбургском университете. Луиза-Мари Дикенманн/Эдинбургский университет, CC BY-NC-ND
Что такое спирали Фибоначчи?
Спирали часто встречаются в природе, их можно увидеть в листьях растений, панцирях животных и даже в двойной спирали нашей ДНК. В большинстве случаев эти спирали относятся к последовательности Фибоначчи — набору чисел, каждое из которых представляет собой сумму двух предшествующих ему чисел (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 и т. д.).
Эти закономерности особенно широко распространены у растений и могут быть распознаны даже невооруженным глазом. Если взять сосновую шишку и посмотреть на основание, то можно увидеть, что одревесневшие чешуи образуют спирали, которые сходятся к месту прикрепления к ветке.
Сначала вы можете заметить спирали только в одном направлении. Но присмотритесь, и вы увидите спирали как по часовой, так и против часовой стрелки. Теперь подсчитайте количество спиралей по часовой стрелке и против часовой стрелки, и почти в каждом случае количество спиралей будет целым числом в последовательности Фибоначчи.
Тот же цвет сосновой шишки, закодированный для отображения 8 спиралей по часовой стрелке и 13 спиралей против часовой стрелки. 8 и 13 — последовательные числа в ряду Фибоначчи. Сэнди Хетерингтон, Автор условии
Этот конкретный случай не является исключительным случаем. В Исследование проанализировав 6,000 сосновых шишек, спирали Фибоначчи были обнаружены в 97% исследованных шишек.
Спирали Фибоначчи встречаются не только в сосновых шишках. Они распространены в других органах растений, таких как листья и цветы.
Если вы посмотрите на верхушку лиственного побега, такого как у обезьяньего дерева-головоломки, вы увидите, что листья расположены по спирали, которые начинаются на кончике и постепенно обвиваются вокруг стебля. А Исследование из 12,000 650 спиралей из более чем 90 видов растений обнаружили, что спирали Фибоначчи встречаются более чем в XNUMX% случаев.
Из-за того, что они часто встречаются у живых видов растений, долгое время считалось, что спирали Фибоначчи были древними и хорошо сохранились во всех растениях. Мы решили проверить эту гипотезу, исследуя ранние окаменелости растений.
Примеры живых растений со спиралями Фибоначчи. Слева направо: спирали в листьях обезьяньего пазла, сосновой шишке и цветке приморской маргаритки. Сэнди Хетерингтон, Автор условии
Спирали не Фибоначчи в ранних растениях
Мы исследовали расположение листьев и репродуктивных структур у первой группы растений, у которых, как известно, были развиты листья, называемых плауны.
В частности, мы изучили окаменелости растений вымерших видов плаунов. Астероксилон маки. Изученные нами окаменелости сейчас находятся в музейных коллекциях Великобритании и Германии, но первоначально были собраны в Райни черт – ископаемое место на севере Шотландии.
Мы сделали изображения тонких срезов окаменелостей, а затем использовали методы цифровой реконструкции, чтобы визуализировать расположение ископаемых. Астероксилон макки листья в 3D и количественно оценить спирали.
Основываясь на этом анализе, мы обнаружили, что расположение листьев сильно варьирует в Астероксилон маки. Фактически, спирали не Фибоначчи были наиболее распространенным расположением. Обнаружение нефибоначчиевых спиралей в такой ранней окаменелости удивительно, поскольку сегодня они очень редки среди живых видов растений.
Реконструкция жизни ископаемого Asteroxylon mackiei. Мэтт Хампейдж/Northern Rogue Studios, CC BY-NC-ND
Отдельная эволюционная история
Эти открытия меняют наше понимание спиралей Фибоначчи в наземных растениях. Они предполагают, что спирали не-Фибоначчи были древними у косолапых, опровергая представление о том, что все лиственные растения начинали с роста листьев, которые следовали схеме Фибоначчи.
Кроме того, это предполагает, что эволюция листьев и спирали Фибоначчи у плаунов имели эволюционную историю, отличную от других групп живых растений сегодня, таких как папоротники, хвойные и цветковые растения. Это предполагает, что спирали Фибоначчи возникали отдельно несколько раз на протяжении эволюции растений.
Работа также добавляет еще одну часть к загадке основного эволюционного вопроса — почему спирали Фибоначчи так распространены в растениях сегодня?
Этот вопрос продолжает вызывать споры среди ученых. Выдвигались различные гипотезы, в том числе максимальное количество света что каждый лист получает или эффективно упаковать семена. Но наши результаты подчеркивают, как информация о окаменелостях и растениях, таких как плауны, может дать жизненно важные подсказки в поиске ответа.
Об авторе
Сэнди Хетерингтон, биолог-эволюционист растений, Эдинбургский университет и Холли-Энн Тернер, кандидат биологических наук, палеоботаника, Университетский колледж Корк
Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
Книги об окружающей среде из списка бестселлеров Amazon
«Тихая весна»
Рэйчел Карсон
Эта классическая книга является важной вехой в истории защиты окружающей среды, привлекая внимание к вредному воздействию пестицидов и их воздействию на мир природы. Работа Карсона вдохновила современное экологическое движение и остается актуальной сегодня, поскольку мы продолжаем решать проблемы гигиены окружающей среды.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
«Необитаемая Земля: жизнь после потепления»
Дэвид Уоллес-Уэллс
В этой книге Дэвид Уоллес-Уэллс предлагает резкое предупреждение о разрушительных последствиях изменения климата и настоятельной необходимости решения этого глобального кризиса. Книга основана на научных исследованиях и примерах из реальной жизни, чтобы дать отрезвляющий взгляд на будущее, с которым мы столкнемся, если не предпримем никаких действий.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
«Скрытая жизнь деревьев: что они чувствуют, как общаются? Открытия из тайного мира»
Питер Воллебен
В этой книге Питер Воллебен исследует увлекательный мир деревьев и их роль в экосистеме. Книга основана на научных исследованиях и собственном опыте Воллебена в качестве лесника, чтобы дать представление о сложных способах взаимодействия деревьев друг с другом и с миром природы.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
«Наш дом в огне: сцены из жизни семьи и планеты в кризисе»
Грета Тунберг, Сванте Тунберг и Малена Эрнман
В этой книге экоактивистка Грета Тунберг и ее семья предлагают личный отчет о своем путешествии по повышению осведомленности о насущной необходимости решения проблемы изменения климата. Книга представляет собой мощный и трогательный рассказ о проблемах, с которыми мы сталкиваемся, и о необходимости действий.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
«Шестое вымирание: неестественная история»
Элизабет Колберт
В этой книге Элизабет Колберт исследует продолжающееся массовое вымирание видов, вызванное деятельностью человека, опираясь на научные исследования и примеры из реального мира, чтобы дать отрезвляющий взгляд на влияние человеческой деятельности на мир природы. Книга предлагает убедительный призыв к действию для защиты разнообразия жизни на Земле.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
