Hogyan változtatja meg egy 400 millió éves fosszília a természet matematikai mintáinak megértését

Élő növények Fibonacci spirálokkal. Balról jobbra: chilei araukária leveleinek spiráljai, egy fenyőtoboz és egy tengerparti százszorszép virágai.

A legtöbb növényen lévő levél elrendeződés egy matematikai mintázatot követ - egy új kutatást fény derít rá, hogy alakult ez ki. - a brit kutatók a The Conversation magazinban publikálták felfedezésüket.

A természet tele van matematikai mintázatokkal, ilyenek nővény szárán a levelek elrendeződése, egyananász textúrája, vagy egy fenyőtoboz pikkelyei. Ezeket a botanikai jellemzőket az köti össze, az a közös bennük, hogy spirál az elrendeződésük, olyan spirálokba rendeződnek, ami betartja a Fibonacci sorozatot. Ez a Fibonacci sorozat, vagy más néven a Fibonacci spirálok rendkívül elterjedt a növényekben és elbűvöli a tudósokat Leonardo de Vincitől Charles Darwinig.

A Fibonacci spirálok ilyen gyakorisága a mai növényekben úgy vélik, hogy egy ősi és nagyon konzervált tulajdonság, ami a növényi evolúció korai szakaszáig nyúlik vissza és a jelenlegi formáikban perzisztál.

Egy új tanulmány azonban vitatja ezt a nézőpontot. A kutatók vizsgálták 407 millió éves fosszilizált növények leveleiben és reproduktív struktúráiban lévő spirálokat.

Meglepően azt fedezték fel, hogy ebben a bizonyos fajban a megfigyelt spirálok nem követik egyike sem követi ezt a szabályt. Csak nagyon kevés ma élő növény van, melyek nem követnek egy Fibonacci mintázatot.

Holly-Anne Turner, a tanulmány vezető szerzője létrehozza az Asteroxylon mackiei 3D-s modelljét az Edinburghi Egyetemen. Forrás: https://theconversation.com/how-a-400-million-year-old-fossil-changes-our-understanding-of-mathematical-patterns-in-nature-207552

Spirálok gyakran előfordulnak a természetben és láthatók a növények leveleiben, az állati héjakban és még a DNS-ünk dupla hélixében is. A legtöbb esetben ezek a spirálok a Fibonacci sorozathoz kapcsolódnak.

Ezek a mintázatok különösen elterjedtek a növényekben és még szabad szemmel is felismerhetőek. Ha megnézzük egy fenyőtobozt alapját, láthatjuk ,hogy a fás pikkelyek spirálokat formálnak, amik az ággal való csatlakozási pont felé konvergálnak. Először lehet, hogy valaki csak egy irányban látja a spirálokat. De jobban megnézve, láthatja az óramutatóval megegyező és az óramutatóval ellentétes spirálokat. Ha megszámláljuk a az óramutatóval megegyező és az óramutatóval ellentétes spirálok számát, a spirálok száma majdnem minden esetben egész szám lesz a Fibonacci sorozatból.

Ugyanazon fenyőtoboz színekkel kódolva, hogy mutassák a 8 óramutatójárásával megegyező és a 13 óramutató járásával ellentétes spirálokat. A 8 és a 13 a Fibonacci sorozatban egymást követő számok. Forrás: https://theconversation.com/how-a-400-million-year-old-fossil-changes-our-understanding-of-mathematical-patterns-in-nature-207552

Ez a bizonyos példa nem egy kivételes eset. Egy 6.000 fenyőtobozt elemző tanulmányban a vizsgált tobozok 97%-ában Fibonacci spirálokat találtak.

Fibonacci spirálokat nem csak a fenyőtobozban találni. Gyakorik más növényi szervekben, mint például a levelek és virágok.Ha megnézzük egy leveles hajtás csúcsát, mint például egy csilei araukária esetén, láthatjuk hogy a levelek spirálokba rendeződnek, melyek a csúcsnál kezdődnek és fokozatosan a szár köré csavarodnak. Egy tanulmány, melyben több, mint 650 növényfaj 12.000 spirálját tanulmányozták azt találták, hogy az esetek több mint 90%-ában Fibonacci spirálok fordulnak elő.

Az élő növényfajokban lévő gyakorisága miatt régóta úgy vélik, hogy a Fibonacci spirálok ősiek és nagyon konzerválva vannak minden növényben. A kutatók korai növény fosszíliák vizsgálatával tesztelték ezt a feltételezést.

Élő növények Fibonacci spirálokkal. Balról jobbra: chilei araukária leveleinek spiráljai, egy fenyőtoboz és egy tengerparti százszorszép virágai. Forrás: https://theconversation.com/how-a-400-million-year-old-fossil-changes-our-understanding-of-mathematical-patterns-in-nature-207552

Nem-Fibonacci spirálok a korai növényekben

A kutatók vizsgálták a korpafüvekben a levelek és reproduktív struktúrák elrendeződését. A korpafüvek az első növények, melyek leveleket feljlesztettek.

Speciálisan egy kihalt korpafűfaj, az Asteroxylon mackiei fosszíliáját tanulmányozták. A tanulmányozott fosszíliák most múzeumban vannak az Egyesült Királyságban és Németországban, de eredetileg a Skócia északi részén lévő fosszília helyszínről, Rhynie chertből gyűjtötték.

Képeket készítettek vékony fosszília szeletekről, aztán digitális rekonstrukciós technikával vizualizálták a levelek elrendeződését 3D-ben és számszerűsítették a spirálokat. Felfedezték, hogy a levél elrendeződés nagyon variábilis volt a Asteroxylon mackieiben.

A leggyakoribb elrendeződések nem-Fibonacci spirálok voltak. A nem-Fibonacci spirálok ilyen korai fosszíliákban való felfedezése meglepő, mert nagyon ritkák a ma élő növényfajokban.

Az Asteroxylon mackiei fosszília élet rekonstrukciója. Forrás: https://theconversation.com/how-a-400-million-year-old-fossil-changes-our-understanding-of-mathematical-patterns-in-nature-207552

Eltérő evolúciós történelem

Ezek a felfedezések megváltoztatják a szárazföldi növényekben lévő Fibonacci-spirálokról való tudásunkat. Azt sugallják, hogy a nem-Fibonacci spirálok voltak ősiek a korpafüvekben, megdöntve azt a nézetet, hogy minden leveles növény olyan leveleket kezdett növeszteni, ami a Fibonacci mintázatot követik.

Továbbá azt is sugallja, hogy a levél evolúció és a Fibonacci spirálok evolúciós történelme a korpafüvekben eltér a ma élő növények más csoportjaitól, mint például a páfrányok, tűlevelűek és virágzó növények. Azt sugallja, hogy a Fibonacci spirálok a növényi evolúció során külön több alkalommal alakultak ki.

Egy jelentős evolúciós kérdés, hogy miért olyan gyakoriak a Fibonacci spirálok a mainövényekben? Ez a kérdés továbbra is vita tárgya a tudósok közt. Különböző hipotéziseket javasoltak, köztük, hogy a levelek által kapott fénymennyiséget maximalizálják, vagy hogy hatékonyan becsomagolják a magokat. Ez a felfedezés kiemeli, hogy a fosszíliákba és az olyan növényekbe való bepillantás, mint a korpafüvek alapvető nyomokat adhat, hogy megtaláljuk a választ.

(Forrás: The Conversation: https://theconversation.com/)