動植物圖案呈現的科學

吳佩君

大自然為生存其中的眾多動植物設計了許多精妙的圖形，圖紋和色彩搭配總是令人賞心悅目，堪稱最高妙的藝術家。而且，這些圖案不僅很美而且很實用。那么，漂亮的圖案背后又藏著哪些奧秘呢？

隱藏著生存意義的對稱性

對稱也許是自然界最為常見的圖形了。動物界，鏡像對稱（左右對稱）是動物對稱的主要特征，比如從一只蝴蝶，一只老虎身上可以找到一條中軸線，假設一折疊，動物的左右兩邊可以重合。在植物中，通常是旋轉對稱，像許多花卉如玫瑰，動物的某些群體如海葵，繞一個頂點旋轉180°后，仍然與原來的圖形重合，這就是類似圓形的旋轉對稱。在棘皮動物中甚至有五倍對稱性，比如海葵、海星、海百合等等。

對稱性的東西讓人能產生美感，使得人類創造了更多的對稱性藝術作品。比如許多古寺廟都有中軸線，桌角板凳、廚房廚具都有一定的對稱性，而古代的對聯及律詩也是對稱的，講究音律美。那么，對稱性對于生命生存而言還有什么科學道理嗎？

目前，最普遍的解釋是，在動物王國中，這種雙邊對稱可以使得動物們在中樞神經系統指揮下，身體保持平衡，四肢更加協調。這樣才能方便動物們更好地進行奔跑、行走等活動。進化論者認為，比起不對稱的動物，正是雙邊對稱的特征使得這些動物能更好地生存下來。

而對于海葵這些靜止的生物來說，食物或者威脅可以來自任何方向，這就決定了它們的接收器需要遍布在各個方向，所以常常呈現旋轉對稱。

對稱性也常常暗示著動植物有更好的基因，因為只有良好的基因才能策劃出如此有規律的生長模式，這也暗示這個生物是健康的，會受到異性的青睞而存活下來。

螺旋狀與黃金角

在植物界，向日葵的種子之間沒有絲毫間隙地緊密排列，形成令人艷羨的完美螺旋形。菠蘿皮、蛇果皮，都按螺旋形排列；高等植物圍繞著樹莖生長的葉子也是呈螺旋狀排列。不僅如此，這里面還蘊含有數學規律。如果以一片葉子作為起點，沿著螺旋開始向上數葉片，將數到的最后一片在方向上和起始葉片重疊的葉片作為終點，記錄第一片葉子和最后一片葉子的螺旋形繞莖的周數（葉序周數）及葉片的總數，就會發現，植物的葉序周數和葉片總數，花盤類植物的螺旋數竟然都是斐波那契數。斐波那契數指的是一組如0、1、1、2、3、5、8、13、21、34等的整數數列，每個數字大都是前兩個數字之和。

當再測量下根據斐波那契數列排列的植物螺旋線的弧度時，就會發現這些弧度形成的角度正好是137.5°，許多植物的莖葉和果實幾乎都是按照這個137.5°模式排列的。137.5°這個角度有什么特別之處嗎？

通過計算機模擬，科學家們確認137.5°堪稱黃金角度，因為它竟然是種子不留間隙排列的唯一角度，也就是說這種角度使得花朵頂端可以排列最多的種子，或者使得樹干擁有最多的葉子。對于植物而言，只有選擇這種數學模式，才能最大限度地利用生長空間，使得所有的花盤種子或者葉子具有差不多的大小而又疏密得當。對葉片排列而言，按斐波納那契數螺旋式排列能最大程度減少葉片之間的相互遮擋，更有效地吸收太陽光，進行光合作用。可見植物葉子或種子的螺旋式排列不只是美觀，它更是植物生存的基本需要。

不僅是植物世界，螺旋圖案廣泛存在于整個自然界中。一架大型噴氣式客機如果想節省時間地走捷徑，比如從歐洲直線飛往北美洲，最終很可能會尷尬地降落在目的地以北3000千米的地區，避免飛機在北極圈著陸的唯一辦法就是按照螺旋形路線前進。馬桶里的渦旋、毀滅性的颶風、龍卷風這些也是螺旋圖案。今天，科學家們已經找到了其中部分原因，它可能來源于科里奧利效應。在這種效應中，地球的自轉力往往使所有物體朝同一個方向運動，赤道以北的低壓系統逆時針自轉，南半球的情況則正好相反，這種自傳力正是許多螺旋結構形成的來源。

絢麗的斑點與條紋

斑點點綴著豹子和瓢蟲使得它們格外漂亮，神仙魚和斑馬的條紋也讓人覺得異常奪目。神奇的大自然從來不會生產無用之物，這些漂亮的小裝飾又有哪些意想不到的用途呢？

一個合理的解釋是，這些圖案將增加動物們生存和繁殖的幾率。動物圖案的一個功能是偽裝。花紋和斑點常常有隱藏、迷惑的作用。例如，純色反射的是整齊的模式，而斑馬黑白圖案反射的是多種光線，利用這種反射，斑馬在奔跑過程中很容易晃得讓捕食者眼花，奪命吸血蠅也不喜歡降落在這種黑白圖案上面。豹子的斑點身體則像一個迷彩服一樣，可以讓它很好地在叢林里偽裝。

這些圖案的另一個功能是發送信號。一個有著黑色斑點的瓢蟲不太可能被猛禽攻擊，因為如果一個動物具有很刺眼的警告顏色，可能暗示著苦味或有毒。如果一只小鳥第一次見到瓢蟲，無視警示圖案吃它們后，也只會嘗試這么一次，很快就會吐出這些味道很苦的蟲子。在與這些顏色亮麗的蟲子長期斗爭的過程中，鳥類將學會辨別這樣外表的蟲子不能吃。

對于那些有花紋和色彩的植物來說，這些圖案可能讓植物們更顯目，吸引遠處的授粉動物。研究者們已經證實歐洲蜜蜂及其他傳粉昆蟲，會被花輻射狀的色彩和條紋吸引。