植物“數(shù)學家”

祁云枝

人類很早就從植物中看到了數(shù)學特征：花瓣對稱排列在花托邊緣，整個花朵幾乎完美無缺地呈現(xiàn)出輻射對稱形狀，葉子沿著植物莖稈相互疊起，有些植物的種子是圓的，有些是刺狀，有些則是輕巧的傘狀……

所有這一切，向我們展示了許多美麗的數(shù)學模式。

著名數(shù)學家笛卡爾，根據(jù)他所研究的一簇花瓣和葉形曲線特征，列出了x3+y3-3axy=0的方程式，這就是現(xiàn)代數(shù)學中有名的“笛卡爾葉線”（或者叫“葉形線”），數(shù)學家還為它取了一個詩意的名字——茉莉花瓣曲線。

后來，科學家又發(fā)現(xiàn)，植物的花瓣、萼片、果實的數(shù)目以及其他方面的特征，都非常吻合于一個奇特的數(shù)列——著名的斐波那契數(shù)列：1、2、3、5、8、13、21、34、55、89……

向日葵種子的排列方式，就是一種典型的數(shù)學模式。

仔細觀察向日葵花盤，你會發(fā)現(xiàn)兩組螺旋線，一組順時針方向盤繞，另一組則逆時針方向盤繞，并且彼此鑲嵌。雖然不同的向日葵品種中，種子順、逆時針方向和螺旋線的數(shù)量有所不同，但往往不會超出34和55，55和89或者89和144這三組數(shù)字，這每組數(shù)字，就是斐波那契數(shù)列中相鄰的兩個數(shù)。前一個數(shù)字是順時針盤繞的線數(shù)，后一個數(shù)字是逆時針盤繞的線數(shù)。

雛菊的花盤也有類似的數(shù)學模式，只不過數(shù)字略小一些;菠蘿果實上的菱形鱗片，一行行排列起來，8行向左傾斜，13行向右傾斜;挪威云杉的球果在一個方向上有3行鱗片，在另一個方向上有5行鱗片;常見的落葉松是一種針葉樹，其松果上的鱗片在兩個方向上各排成5行和8行，美國松的松果鱗片則在兩個方向上各排成3行和5行……

如果是遺傳決定了花朵的花瓣數(shù)和松果的鱗片數(shù)，那么為什么會與斐波那契數(shù)列如此的巧合？

這也是植物在大自然中長期適應和進化的結果。因為植物所顯示的數(shù)學特征是植物生長在動態(tài)過程中必然會產(chǎn)生的結果，它受到數(shù)學規(guī)律的嚴格約束，換句話說，植物離不開斐波那契數(shù)列，就像鹽的晶體必然具有立方體的形狀一樣。

車前草是西安地區(qū)常見的一種小草，它那輪生的葉片間的夾角正好是137.5°，按照這一角度排列的葉片，能很好地鑲嵌而又互不重疊，這是植物采光面積最大的排列方式，每片葉子都可以最大限度地獲得陽光，從而有效地提高植物光合作用的效率。

建筑師們參照車前草葉片排列的數(shù)學模型，設計出了新穎的螺旋式高樓，最佳的采光效果使得高樓的每個房間都很明亮。

1979年，英國科學家沃格爾用大小相同的許多圓點代表向日葵花盤中的種子，根據(jù)斐波那契數(shù)列的規(guī)則，盡可能緊密地將這些圓點擠壓在一起，他用計算機模擬向日葵的結果顯示：若發(fā)散角小于137.5°，那么花盤上就會出現(xiàn)間隙，且只能看到一組螺旋線;若發(fā)散角大于137.5°，花盤上也會出現(xiàn)間隙，而此時又會看到另一組螺旋線。只有當發(fā)散角等于黃金角時，花盤上才呈現(xiàn)彼此緊密鑲合的兩組螺旋線。

所以，向日葵等植物在生長過程中，只有選擇這種數(shù)學模式，花盤上種子的分布才最為有效，花盤也變得最堅固壯實，產(chǎn)生后代的幾率也最高。

（舒云摘自《科普時報》2021年1月15日/圖 雨田）