Kolczaste gałęzie drzewa układanki małpy. Joshua Bruce Allen/Shutterstock
Jeśli kiedykolwiek zwróciłeś uwagę na układ liści na łodydze rośliny, teksturę ananasa lub łuski szyszki, to nieświadomie byłeś świadkiem genialnych przykładów matematycznych wzorów w przyrodzie.
Tym, co łączy wszystkie te cechy botaniczne, jest ich wspólna cecha ułożenia w spirale, które przylegają do sekwencji numerycznej zwanej ciąg Fibonacciego. Spirale te, dla uproszczenia nazywane spiralami Fibonacciego, są niezwykle rozpowszechnione w roślinach i fascynowały naukowców od Leonarda da Vinci po Karola Darwina.
Taka jest częstość występowania spiral Fibonacciego w dzisiejszych roślinach, że uważa się, że reprezentują one starożytna i wysoce zachowana funkcja, sięgające najwcześniejszych stadiów ewolucji roślin i utrzymujące się w obecnych formach.
Jednak nasz Nowe badania kwestionuje ten punkt widzenia. Zbadaliśmy spirale w liściach i strukturach rozrodczych skamieniałej rośliny sprzed 407 milionów lat. Co zaskakujące, odkryliśmy, że wszystkie spirale obserwowane u tego konkretnego gatunku nie podlegały tej samej zasadzie. Obecnie tylko nieliczne rośliny nie podążają za wzorem Fibonacciego.
Holly-Anne Turner, pierwsza autorka badania, tworząca cyfrowe modele 3D Asteroxylon mackiei na Uniwersytecie w Edynburgu. Luisa-Marie Dickenmann/Uniwersytet w Edynburgu, CC BY-NC-ND
Czym są spirale Fibonacciego?
Spirale występują często w przyrodzie i można je zobaczyć w liściach roślin, skorupach zwierząt, a nawet w podwójnej helisie naszego DNA. W większości przypadków spirale te odnoszą się do ciągu Fibonacciego – zbioru liczb, z których każda jest sumą dwóch poprzedzających ją liczb (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 itd.).
Wzory te są szczególnie rozpowszechnione u roślin i można je rozpoznać nawet gołym okiem. Jeśli podniesiesz szyszkę i spojrzysz na podstawę, zobaczysz, że zdrewniałe łuski tworzą spirale, które zbiegają się w kierunku punktu przyczepienia do gałęzi.
Na początku możesz dostrzec spirale tylko w jednym kierunku. Ale przyjrzyj się uważnie, a zobaczysz spirale zarówno zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jak i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Teraz policz liczbę spiral zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a prawie w każdym przypadku liczba spiral będzie liczbami całkowitymi w ciągu Fibonacciego.
Ten sam kolor szyszki oznaczony kolorem, aby pokazać 8 spiral zgodnych z ruchem wskazówek zegara i 13 spirali przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. 8 i 13 to kolejne liczby ciągu Fibonacciego. Sandy'ego Hetheringtona, Autor pod warunkiem
Ten konkretny przypadek nie jest przypadkiem wyjątkowym. W „The Puzzle of Monogamous Marriage” który przeanalizował 6,000 szyszek, spirale Fibonacciego znaleziono w 97% badanych szyszek.
Spirale Fibonacciego można znaleźć nie tylko w szyszkach sosnowych. Są powszechne w innych organach roślin, takich jak liście i kwiaty.
Jeśli spojrzysz na czubek liściastego pędu, takiego jak drzewo układanki małpy, zobaczysz, że liście są ułożone w spirale, które zaczynają się od czubka i stopniowo owijają się wokół łodygi. A „The Puzzle of Monogamous Marriage” 12,000 650 spiral z ponad 90 gatunków roślin wykazało, że spirale Fibonacciego występują w ponad XNUMX% przypadków.
Ze względu na częstość ich występowania w żywych gatunkach roślin od dawna uważano, że spirale Fibonacciego były starożytne i wysoce zachowane we wszystkich roślinach. Postanowiliśmy przetestować tę hipotezę, badając skamieniałości wczesnych roślin.
Przykłady żywych roślin ze spiralami Fibonacciego. Od lewej do prawej: spirale w liściach małpiego drzewa, szyszce sosnowej i kwiecie nadmorskiej stokrotki. Sandy'ego Hetheringtona, Autor pod warunkiem
Spirale inne niż Fibonacciego we wczesnych roślinach
Zbadaliśmy układ liści i struktury rozrodcze w pierwszej grupie roślin, o których wiadomo, że rozwinęły liście, tzw klubowe.
W szczególności zbadaliśmy skamieniałości roślin wymarłych gatunków mchów widłowych Asteroksylon mackiei. Badane przez nas skamieniałości znajdują się obecnie w zbiorach muzeów w Wielkiej Brytanii i Niemczech, ale pierwotnie zostały zebrane z Rhynie Chert – miejsce skamielin w północnej Szkocji.
Zrobiliśmy zdjęcia cienkich warstw skamielin, a następnie wykorzystaliśmy cyfrowe techniki rekonstrukcji, aby zwizualizować ich rozmieszczenie Asteroxylon mackiei's liście w 3D i kwantyfikuj spirale.
Na podstawie tej analizy odkryliśmy, że układ liści był bardzo zmienny Asteroksylon mackiei. W rzeczywistości najpowszechniejszym układem były spirale inne niż Fibonacciego. Odkrycie spiral innych niż Fibonacciego w tak wczesnej skamieniałości jest zaskakujące, ponieważ są one obecnie bardzo rzadkie wśród żywych gatunków roślin.
Rekonstrukcja życia kopalnego Asteroxylon mackiei. Matt Humpage/Northern Rogue Studios, CC BY-NC-ND
Wyraźna historia ewolucji
Odkrycia te zmieniają nasze rozumienie spiral Fibonacciego w roślinach lądowych. Sugerują, że spirale inne niż Fibonacciego były starożytne u mchów widłowych, obalając pogląd, że wszystkie rośliny liściaste zaczęły wyrastać z liści zgodnych ze wzorem Fibonacciego.
Co więcej, sugeruje to, że ewolucja liści i spirale Fibonacciego u mchów widłowych miały historię ewolucyjną odmienną od innych grup żywych roślin dzisiaj, takich jak paprocie, drzewa iglaste i rośliny kwitnące. Sugeruje to, że spirale Fibonacciego pojawiały się oddzielnie wiele razy podczas ewolucji roślin.
Praca dodaje również kolejny element do układanki głównego pytania ewolucyjnego - dlaczego spirale Fibonacciego są tak powszechne w dzisiejszych roślinach?
To pytanie nadal wywołuje debatę wśród naukowców. Zaproponowano różne hipotezy, w tym do zmaksymalizować ilość światła że każdy liść otrzymuje lub do efektywnie pakować nasiona. Ale nasze odkrycia podkreślają, w jaki sposób spostrzeżenia ze skamielin i roślin, takich jak mchy widłowe, mogą dostarczyć istotnych wskazówek w znalezieniu odpowiedzi.
O autorze
Sandy'ego Hetheringtona, biolog ewolucyjny roślin, Uniwersytet w Edynburgu i Holly Anne Turner, doktorant, paleobotanika, University College Cork
Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.
Książki o środowisku z listy bestsellerów Amazon
"Cicha wiosna"
autorstwa Rachel Carson
Ta klasyczna książka jest kamieniem milowym w historii ekologii, zwracającym uwagę na szkodliwe działanie pestycydów i ich wpływ na świat przyrody. Praca Carsona pomogła zainspirować nowoczesny ruch ekologiczny i pozostaje aktualna dzisiaj, gdy nadal zmagamy się z wyzwaniami zdrowia środowiskowego.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
„Ziemia niezdatna do zamieszkania: życie po ociepleniu”
David Wallace-Wells
W tej książce David Wallace-Wells ostrzega przed niszczycielskimi skutkami zmian klimatu i pilną potrzebą rozwiązania tego globalnego kryzysu. Książka opiera się na badaniach naukowych i rzeczywistych przykładach, aby zapewnić otrzeźwiające spojrzenie na przyszłość, przed którą staniemy, jeśli nie podejmiemy działań.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
„Sekretne życie drzew: co czują, jak się komunikują? Odkrycia z sekretnego świata”
przez Petera Wohllebena
W tej książce Peter Wohlleben bada fascynujący świat drzew i ich rolę w ekosystemie. Książka opiera się na badaniach naukowych i własnych doświadczeniach Wohllebena jako leśnika, aby zaoferować wgląd w złożone sposoby, w jakie drzewa wchodzą w interakcje ze sobą i ze światem przyrody.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
„Nasz dom się pali: sceny z rodziny i planety w kryzysie”
autorstwa Grety Thunberg, Svante Thunberg i Maleny Ernman
W tej książce aktywistka klimatyczna Greta Thunberg i jej rodzina przedstawiają osobistą relację ze swojej podróży mającej na celu podniesienie świadomości na temat pilnej potrzeby zajęcia się zmianami klimatycznymi. Książka stanowi mocny i poruszający opis wyzwań, przed którymi stoimy, oraz potrzeby działania.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
„Szóste wymieranie: nienaturalna historia”
Elżbieta Kolbert
W tej książce Elizabeth Kolbert bada trwające masowe wymieranie gatunków spowodowane działalnością człowieka, opierając się na badaniach naukowych i przykładach z rzeczywistego świata, aby zapewnić trzeźwe spojrzenie na wpływ działalności człowieka na świat przyrody. Książka zawiera przekonujące wezwanie do działania na rzecz ochrony różnorodności życia na Ziemi.
