Những cành cây khẳng khiu của cây khỉ. Joshua Bruce Allen/Shutterstock
Nếu bạn đã từng bị thu hút bởi sự sắp xếp của lá trên thân cây, kết cấu của quả dứa hoặc vảy của quả thông, thì bạn đã vô tình chứng kiến những ví dụ tuyệt vời về các mô hình toán học trong tự nhiên.
Điều gắn kết tất cả các đặc điểm thực vật này với nhau là đặc điểm chung của chúng là được sắp xếp theo hình xoắn ốc tuân theo một chuỗi số gọi là Chuỗi Fibonacci. Những xoắn ốc này, được gọi là xoắn ốc Fibonacci để đơn giản, cực kỳ phổ biến ở thực vật và đã mê hoặc các nhà khoa học từ Leonardo da Vinci đến Charles Darwin.
Sự phổ biến của xoắn ốc Fibonacci trong thực vật ngày nay đến nỗi chúng được cho là đại diện cho một tính năng cổ xưa và được bảo tồn cao, có niên đại từ những giai đoạn sớm nhất của quá trình tiến hóa thực vật và tồn tại ở dạng hiện tại.
Tuy nhiên, chúng tôi Nghiên cứu mới thách thức quan điểm này. Chúng tôi đã kiểm tra các vòng xoắn trên lá và cấu trúc sinh sản của một loài thực vật hóa thạch có niên đại 407 triệu năm. Ngạc nhiên thay, chúng tôi phát hiện ra rằng tất cả các đường xoắn ốc quan sát được ở loài đặc biệt này không tuân theo cùng một quy luật. Ngày nay, chỉ có rất ít thực vật không tuân theo mô hình Fibonacci.
Holly-Anne Turner, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, tạo ra các mô hình 3D kỹ thuật số của Asteroxylon mackiei tại Đại học Edinburgh. Luisa-Marie Dickenmann/Đại học Edinburgh, CC BY-NC-ND
Xoắn ốc Fibonacci là gì?
Xoắn ốc xảy ra thường xuyên trong tự nhiên và có thể được nhìn thấy trong lá cây, vỏ động vật và thậm chí trong chuỗi xoắn kép DNA của chúng ta. Trong hầu hết các trường hợp, các vòng xoắn ốc này liên quan đến dãy Fibonacci – một tập hợp các số trong đó mỗi số là tổng của hai số đứng trước nó (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, v.v.).
Những mô hình này đặc biệt phổ biến ở thực vật và thậm chí có thể được nhận ra bằng mắt thường. Nếu bạn nhặt một quả tùng và nhìn vào phần gốc, bạn có thể thấy các vảy gỗ tạo thành hình xoắn ốc hội tụ về phía điểm gắn với cành.
Lúc đầu, bạn chỉ có thể phát hiện các hình xoắn ốc theo một hướng. Nhưng hãy nhìn kỹ và bạn có thể thấy cả hình xoắn ốc theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Bây giờ hãy đếm số vòng xoắn theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ, và trong hầu hết mọi trường hợp, số vòng xoắn sẽ là số nguyên trong dãy Fibonacci.
Màu quả tùng tương tự được mã hóa để hiển thị 8 hình xoắn ốc theo chiều kim đồng hồ và 13 hình xoắn ốc ngược chiều kim đồng hồ. 8 và 13 là các số liên tiếp trong dãy Fibonacci. Sandy Hetherington, tác giả cung cấp
Trường hợp cụ thể này không phải là một trường hợp ngoại lệ. trong một nghiên cứu đã phân tích 6,000 hình nón thông, xoắn ốc Fibonacci được tìm thấy trong 97% số hình nón được kiểm tra.
Xoắn ốc Fibonacci không chỉ được tìm thấy trong nón thông. Chúng phổ biến ở các cơ quan khác của cây như lá, hoa.
Nếu bạn nhìn vào ngọn của chồi lá, chẳng hạn như chồi của cây khỉ, bạn có thể thấy những chiếc lá được sắp xếp theo hình xoắn ốc bắt đầu từ ngọn và dần dần uốn lượn quanh thân cây. MỘT nghiên cứu trong số 12,000 đường xoắn ốc từ hơn 650 loài thực vật đã phát hiện ra rằng các đường xoắn ốc Fibonacci xảy ra trong hơn 90% trường hợp.
Do tần suất xuất hiện của chúng trong các loài thực vật còn sống, từ lâu người ta đã cho rằng xoắn ốc Fibonacci là cổ xưa và được bảo tồn cao trong tất cả các loài thực vật. Chúng tôi bắt đầu kiểm tra giả thuyết này bằng một cuộc điều tra về hóa thạch thực vật ban đầu.
Ví dụ về thực vật sống với hình xoắn ốc Fibonacci. Từ trái sang phải: hình xoắn ốc trên lá cây xếp hình con khỉ, hình nón thông và bông hoa cúc bên bờ biển. Sandy Hetherington, tác giả cung cấp
Xoắn ốc phi Fibonacci ở thực vật ban đầu
Chúng tôi đã kiểm tra sự sắp xếp của lá và cấu trúc sinh sản trong nhóm thực vật đầu tiên được biết là có lá phát triển, được gọi là câu lạc bộ rêu.
Cụ thể, chúng tôi đã nghiên cứu hóa thạch thực vật của loài clubmoss đã tuyệt chủng Asteroxylon mackiei. Các hóa thạch mà chúng tôi nghiên cứu hiện được lưu giữ trong các bộ sưu tập bảo tàng ở Anh và Đức nhưng ban đầu được thu thập từ Rhynie chet – một địa điểm hóa thạch ở phía bắc Scotland.
Chúng tôi đã chụp ảnh các lát hóa thạch mỏng và sau đó sử dụng các kỹ thuật tái tạo kỹ thuật số để hình dung sự sắp xếp của Asteroxylon mackiei lá ở chế độ 3D và định lượng các hình xoắn ốc.
Dựa trên phân tích này, chúng tôi phát hiện ra rằng sự sắp xếp của lá rất khác nhau trong Asteroxylon mackiei. Trên thực tế, các đường xoắn ốc phi Fibonacci là cách sắp xếp phổ biến nhất. Việc phát hiện ra các đường xoắn ốc không phải Fibonacci trong một hóa thạch sớm như vậy là điều đáng ngạc nhiên vì chúng rất hiếm gặp ở các loài thực vật sống ngày nay.
Tái tạo cuộc sống của hóa thạch Asteroxylon mackiei. Matt Humpage/Xưởng phim Rogue phương Bắc, CC BY-NC-ND
Lịch sử tiến hóa khác biệt
Những phát hiện này thay đổi hiểu biết của chúng ta về xoắn ốc Fibonacci ở thực vật trên cạn. Họ gợi ý rằng các hình xoắn ốc không phải Fibonacci đã có từ xa xưa ở rêu câu, đảo ngược quan điểm cho rằng tất cả các loài thực vật có lá đều bắt đầu mọc ra những chiếc lá tuân theo mô hình Fibonacci.
Hơn nữa, nó gợi ý rằng sự tiến hóa của lá và xoắn ốc Fibonacci ở rêu chùm có một lịch sử tiến hóa khác biệt với các nhóm thực vật sống khác ngày nay, chẳng hạn như dương xỉ, cây lá kim và thực vật có hoa. Nó gợi ý rằng các xoắn ốc Fibonacci xuất hiện nhiều lần một cách riêng biệt trong suốt quá trình tiến hóa của thực vật.
Công trình này cũng bổ sung một mảnh ghép khác cho câu hỏi tiến hóa quan trọng – tại sao các xoắn ốc Fibonacci lại phổ biến ở thực vật ngày nay?
Câu hỏi này tiếp tục tạo ra cuộc tranh luận giữa các nhà khoa học. Nhiều giả thuyết khác nhau đã được đề xuất, bao gồm tối đa hóa lượng ánh sáng mà mỗi lá nhận được hoặc để đóng gói hạt giống hiệu quả. Nhưng những phát hiện của chúng tôi làm nổi bật những hiểu biết sâu sắc về hóa thạch và thực vật như rêu có thể cung cấp manh mối quan trọng trong việc tìm ra câu trả lời.
Giới thiệu về Tác giả
Sandy Hetherington, Nhà sinh vật học tiến hóa thực vật, Đại học Edinburgh và Holly-Anne Turner, Ứng viên tiến sĩ, Palaeobotany, Đại học College Cork
Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.
Sách về Môi trường từ danh sách Bán chạy nhất của Amazon
"Mùa xuân im lặng"
bởi Rachel Carson
Cuốn sách kinh điển này là một bước ngoặt trong lịch sử của chủ nghĩa môi trường, thu hút sự chú ý đến tác hại của thuốc trừ sâu và tác động của chúng đối với thế giới tự nhiên. Công việc của Carson đã giúp truyền cảm hứng cho phong trào môi trường hiện đại và vẫn còn phù hợp cho đến ngày nay, khi chúng ta tiếp tục vật lộn với những thách thức về sức khỏe môi trường.
Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng
"Trái đất không thể ở được: Cuộc sống sau khi nóng lên"
của David Wallace-Wells
Trong cuốn sách này, David Wallace-Wells đưa ra lời cảnh báo rõ ràng về tác động tàn phá của biến đổi khí hậu và nhu cầu cấp thiết phải giải quyết cuộc khủng hoảng toàn cầu này. Cuốn sách dựa trên nghiên cứu khoa học và các ví dụ thực tế để cung cấp một cái nhìn nghiêm túc về tương lai mà chúng ta phải đối mặt nếu chúng ta không hành động.
Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng
"Cuộc sống ẩn giấu của cây cối: Chúng cảm thấy gì, chúng giao tiếp như thế nào? Những khám phá từ một thế giới bí mật"
bởi Peter Wohlleben
Trong cuốn sách này, Peter Wohlleben khám phá thế giới kỳ thú của cây cối và vai trò của chúng trong hệ sinh thái. Cuốn sách dựa trên nghiên cứu khoa học và kinh nghiệm của chính Wohlleben với tư cách là người đi rừng để cung cấp những hiểu biết sâu sắc về những cách thức phức tạp mà cây cối tương tác với nhau và với thế giới tự nhiên.
Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng
"Ngôi nhà của chúng ta đang bốc cháy: Cảnh một gia đình và một hành tinh đang gặp khủng hoảng"
của Greta Thunberg, Svante Thunberg và Malena Ernman
Trong cuốn sách này, nhà hoạt động khí hậu Greta Thunberg và gia đình cô kể lại hành trình của họ nhằm nâng cao nhận thức về nhu cầu cấp thiết phải giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Cuốn sách cung cấp một tài khoản mạnh mẽ và cảm động về những thách thức chúng ta phải đối mặt và sự cần thiết phải hành động.
Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng
"Sự tuyệt chủng thứ sáu: Một lịch sử không tự nhiên"
của Elizabeth Kolbert
Trong cuốn sách này, Elizabeth Kolbert khám phá sự tuyệt chủng hàng loạt đang diễn ra của các loài do hoạt động của con người, dựa trên nghiên cứu khoa học và các ví dụ thực tế để cung cấp một cái nhìn nghiêm túc về tác động của hoạt động của con người đối với thế giới tự nhiên. Cuốn sách đưa ra lời kêu gọi hành động thuyết phục để bảo vệ sự đa dạng của sự sống trên Trái đất.
