De taggiga grenarna på ett apapusselträd. Joshua Bruce Allen/Shutterstock
Om dina ögon någonsin har dragits till arrangemanget av löv på en växtstam, strukturen hos en ananas eller fjällen på en kotte, så har du omedvetet sett lysande exempel på matematiska mönster i naturen.
Det som binder samman alla dessa botaniska särdrag är deras gemensamma egenskap att vara ordnade i spiraler som ansluter sig till en numerisk sekvens som kallas Fibonacci-sekvens. Dessa spiraler, kallade Fibonacci-spiraler för enkelhetens skull, är extremt utbredda i växter och har fascinerat forskare från Leonardo da Vinci till Charles Darwin.
Sådan är förekomsten av Fibonacci-spiraler i växter idag att de tros representera en urgammalt och mycket bevarat inslag, som går tillbaka till de tidigaste stadierna av växtutveckling och kvarstår i sina nuvarande former.
Men vår ny studie utmanar denna synvinkel. Vi undersökte spiralerna i löven och reproduktiva strukturer hos en fossiliserad växt som går tillbaka 407 miljoner år. Överraskande upptäckte vi att alla spiraler som observerades i denna speciella art inte följde samma regel. Idag är det bara ett fåtal växter som inte följer ett Fibonacci-mönster.
Holly-Anne Turner, första författare till studien, skapade digitala 3D-modeller av Asteroxylon mackiei vid University of Edinburgh. Luisa-Marie Dickenmann/University of Edinburgh, CC BY-NC-ND
Vad är Fibonacci-spiraler?
Spiraler förekommer ofta i naturen och kan ses i växtblad, djurskal och till och med i den dubbla helixen i vårt DNA. I de flesta fall relaterar dessa spiraler till Fibonacci-sekvensen – en uppsättning tal där var och en är summan av de två talen som föregår den (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 och så vidare).
Dessa mönster är särskilt utbredda i växter och kan till och med kännas igen med blotta ögat. Om du tar upp en kotte och tittar på basen kan du se de vedartade fjällen bilda spiraler som konvergerar mot fästpunkten med grenen.
Till en början kanske du bara ser spiraler i en riktning. Men titta noga och du kan se både medurs och moturs spiraler. Räkna nu antalet medurs och moturs spiraler, och i nästan varje fall kommer antalet spiraler att vara heltal i Fibonacci-sekvensen.
Samma kottefärg kodad för att visa 8 medurs och 13 moturs spiraler. 8 och 13 är på varandra följande nummer i Fibonacci-serien. Sandy Hetherington, författaren förutsatt
Detta specifika fall är inget undantagsfall. I en studera som analyserade 6,000 97 kottar, Fibonacci-spiraler hittades i XNUMX % av de undersökta kottarna.
Fibonacci-spiraler finns inte bara i kottar. De är vanliga i andra växtorgan som löv och blommor.
Om du tittar på spetsen av ett lummigt skott, till exempel på ett appusselträd, kan du se att löven är ordnade i spiraler som börjar vid spetsen och gradvis slingrar sig runt stjälken. A studera av 12,000 650 spiraler från över 90 växtarter fann att Fibonacci-spiraler förekommer i över XNUMX % av fallen.
På grund av deras frekvens i levande växtarter har det länge ansetts att Fibonacci-spiraler var gamla och mycket bevarade i alla växter. Vi försökte testa denna hypotes med en undersökning av tidiga växtfossiler.
Exempel på levande växter med Fibonacci-spiraler. Från vänster till höger: spiraler i löv av en apa pusselträd, en kotte och i blomman av en prästkrage vid havet. Sandy Hetherington, författaren förutsatt
Icke-Fibonacci spiraler i tidiga växter
Vi undersökte arrangemanget av blad och reproduktiva strukturer i den första gruppen av växter som man vet hade utvecklade löv, som kallas klubbmossar.
Specifikt studerade vi växtfossiler av den utdöda klubbmossarten Asteroxylon mackiei. Fossilerna vi studerade finns nu i museisamlingar i Storbritannien och Tyskland men samlades ursprungligen från Rhynie chert – en fossilplats i norra Skottland.
Vi tog bilder av tunna skivor av fossiler och använde sedan digitala rekonstruktionstekniker för att visualisera arrangemanget av Asteroxylon mackiei's löv i 3D och kvantifiera spiralerna.
Baserat på denna analys upptäckte vi att bladarrangemanget var mycket varierande i Asteroxylon mackiei. I själva verket var icke-Fibonacci-spiraler det vanligaste arrangemanget. Upptäckten av icke-Fibonacci-spiraler i ett så tidigt fossil är överraskande eftersom de är mycket sällsynta i levande växtarter idag.
Livsrekonstruktion av fossil Asteroxylon mackiei. Matt Humpage/Northern Rogue Studios, CC BY-NC-ND
Distinkt evolutionär historia
Dessa fynd förändrar vår förståelse av Fibonacci-spiraler i landväxter. De antyder att icke-Fibonacci-spiraler var uråldriga i klubbmossar, vilket störde uppfattningen att alla lummiga växter började växa löv som följde Fibonacci-mönstret.
Dessutom tyder det på att bladutvecklingen och Fibonacci-spiralerna i klubbmossar hade en evolutionär historia som var skild från andra grupper av levande växter idag, såsom ormbunkar, barrträd och blommande växter. Det tyder på att Fibonacci-spiraler uppstod separat flera gånger under växtutvecklingen.
Verket lägger också till ytterligare en bit till pusslet i en stor evolutionär fråga – varför är Fibonacci-spiraler så vanliga i växter idag?
Denna fråga fortsätter att skapa debatt bland forskare. Olika hypoteser har föreslagits, bl.a maximera mängden ljus som varje blad får eller till packa frön effektivt. Men våra resultat visar hur insikter från fossiler och växter som klubbmossar kan ge viktiga ledtrådar för att hitta ett svar.
Om författaren
Sandy Hetherington, växtevolutionär biolog, University of Edinburgh och Holly-Anne Turner, doktorand, paleobotanik, Högskolan Cork
Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.
Böcker om miljön från Amazons lista över bästsäljare
"Tyst vår"
av Rachel Carson
Denna klassiska bok är ett landmärke i miljövårdens historia, och uppmärksammar de skadliga effekterna av bekämpningsmedel och deras inverkan på naturen. Carsons arbete bidrog till att inspirera den moderna miljörörelsen och är fortfarande relevant idag, när vi fortsätter att brottas med utmaningarna med miljöhälsa.
Klicka för mer info eller för att beställa
"The Uninhabitable Earth: Life After Warming"
av David Wallace-Wells
I den här boken ger David Wallace-Wells en skarp varning om de förödande effekterna av klimatförändringar och det akuta behovet av att ta itu med denna globala kris. Boken bygger på vetenskaplig forskning och verkliga exempel för att ge en nykter blick på framtiden vi står inför om vi misslyckas med att vidta åtgärder.
Klicka för mer info eller för att beställa
"Trädens dolda liv: vad de känner, hur de kommunicerar? Upptäckter från en hemlig värld"
av Peter Wohlleben
I den här boken utforskar Peter Wohlleben trädens fascinerande värld och deras roll i ekosystemet. Boken bygger på vetenskaplig forskning och Wohllebens egna erfarenheter som skogsbrukare för att ge insikter i de komplexa sätt som träd interagerar med varandra och med naturen.
Klicka för mer info eller för att beställa
"Vårt hus brinner: scener av en familj och en planet i kris"
av Greta Thunberg, Svante Thunberg och Malena Ernman
I den här boken ger klimataktivisten Greta Thunberg och hennes familj en personlig redogörelse för sin resa för att öka medvetenheten om det akuta behovet av att ta itu med klimatförändringarna. Boken ger en kraftfull och gripande redogörelse för de utmaningar vi står inför och behovet av handling.
Klicka för mer info eller för att beställa
"The Sixth Extinction: En onaturlig historia"
av Elizabeth Kolbert
I den här boken utforskar Elizabeth Kolbert den pågående massutrotningen av arter orsakade av mänsklig aktivitet, med utgångspunkt i vetenskaplig forskning och verkliga exempel för att ge en nykter titt på inverkan av mänsklig aktivitet på den naturliga världen. Boken erbjuder en övertygande uppmaning till handling för att skydda mångfalden av livet på jorden.
