원숭이 퍼즐 나무의 뾰족한 가지. 조슈아 브루스 앨런/Shutterstock
식물 줄기의 잎 배열, 파인애플의 질감 또는 솔방울의 비늘에 눈을 뜬 적이 있다면, 자연에서 수학적 패턴의 훌륭한 예를 자신도 모르게 목격한 것입니다.
이 모든 식물적 특징을 하나로 묶는 것은 나선형으로 배열되어 있다는 공통된 특징입니다. 피보나치 수열. 단순화를 위해 피보나치 나선이라고 하는 이 나선은 식물에 매우 널리 퍼져 있으며 Leonardo da Vinci에서 Charles Darwin에 이르기까지 과학자들을 매료시켰습니다.
오늘날 식물에서 피보나치 나선의 유행은 그들이 다음을 나타내는 것으로 믿어집니다. 고대의 고도로 보존된 기능, 식물 진화의 초기 단계로 거슬러 올라가 현재 형태로 지속됩니다.
그러나 우리의 새로운 연구 이 관점에 도전합니다. 우리는 407억 XNUMX백만 년 전으로 거슬러 올라가 화석화된 식물의 잎과 생식 구조의 나선을 조사했습니다. 놀랍게도, 우리는 이 특정 종에서 관찰된 모든 나선이 동일한 규칙을 따르지 않는다는 것을 발견했습니다. 오늘날 피보나치 패턴을 따르지 않는 식물은 극소수에 불과합니다.
에든버러 대학교에서 Asteroxylon mackiei의 디지털 3D 모델을 만드는 연구의 첫 번째 저자인 Holly-Anne Turner. Luisa-Marie Dickenmann/에든버러 대학교, CC BY-NC-ND
피보나치 나선은 무엇입니까?
나선은 자연에서 자주 발생하며 식물 잎, 동물 껍질, 심지어 DNA의 이중 나선에서도 볼 수 있습니다. 대부분의 경우 이러한 나선은 피보나치 수열과 관련이 있습니다. 피보나치 수열은 각각 앞에 오는 두 숫자(1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 등)의 합입니다.
이러한 패턴은 특히 식물에 널리 퍼져 있으며 육안으로도 인식할 수 있습니다. 솔방울을 집어들고 밑동을 보면 나뭇가지가 부착된 지점을 향해 수렴하는 나선형의 나무 비늘을 볼 수 있습니다.
처음에는 한 방향으로만 나선을 발견할 수 있습니다. 하지만 자세히 보면 시계 방향과 반시계 방향의 나선을 모두 볼 수 있습니다. 이제 시계 방향과 시계 반대 방향의 나선 수를 세어 보세요. 거의 모든 경우에 나선 수는 피보나치 수열의 정수가 됩니다.
8개의 시계 방향 나선과 13개의 시계 반대 방향 나선을 표시하도록 코딩된 동일한 솔방울. 8과 13은 피보나치 수열의 연속된 숫자입니다. 샌디 헤더링턴, 저자 제공
이 특정 사례는 예외적인 경우가 아닙니다. 안에 공부 6,000개의 솔방울을 분석한 결과 피보나치 나선은 조사된 솔방울의 97%에서 발견되었습니다.
피보나치 나선은 솔방울에서만 발견되는 것이 아닙니다. 그들은 잎과 꽃과 같은 다른 식물 기관에서 흔합니다.
원숭이 수수께끼 나무와 같은 잎이 많은 새싹의 끝을 보면 잎이 끝에서 시작하여 점차 줄기 주위를 감는 나선형으로 배열되어 있는 것을 볼 수 있습니다. ㅏ 공부 12,000종이 넘는 식물 종의 650개 나선 중 90% 이상에서 피보나치 나선이 발생하는 것으로 나타났습니다.
살아있는 식물 종의 빈도로 인해 피보나치 나선은 고대에 모든 식물에서 고도로 보존되어 있다고 오랫동안 생각되어 왔습니다. 우리는 초기 식물 화석 조사를 통해 이 가설을 테스트하기 시작했습니다.
피보나치 나선이 있는 살아있는 식물의 예. 왼쪽에서 오른쪽으로: 원숭이 퍼즐 나무의 잎, 솔방울, 해변 데이지 꽃의 나선. 샌디 헤더링턴, 저자 제공
초기 식물의 비 피보나치 나선
우리는 잎이 발달한 것으로 알려진 식물의 첫 번째 그룹에서 잎의 배열과 생식 구조를 조사했습니다. 클럽모스.
구체적으로, 우리는 멸종된 클럽모스 종의 식물 화석을 연구했습니다. 아스테록실론 마키에이. 우리가 연구한 화석은 현재 영국과 독일의 박물관 컬렉션에 보관되어 있지만 원래는 라이니 처트 – 스코틀랜드 북부의 화석 유적지.
우리는 화석의 얇은 조각 이미지를 촬영한 다음 디지털 재구성 기술을 사용하여 화석의 배열을 시각화했습니다. 아스테록실론 마키에이 3D로 잎을 만들고 나선을 정량화합니다.
이 분석을 바탕으로 우리는 잎 배열이 매우 다양하다는 것을 발견했습니다. 아스테록실론 마키에이. 사실 피보나치 나선이 아닌 나선이 가장 일반적인 배열이었습니다. 그러한 초기 화석에서 비피보나치 나선의 발견은 오늘날 살아있는 식물 종에서 매우 드물기 때문에 놀랍습니다.
Asteroxylon mackiei 화석의 생명 재구성. 맷 험페이지/노던 로그 스튜디오, CC BY-NC-ND
독특한 진화의 역사
이러한 발견은 육상 식물의 피보나치 나선에 대한 우리의 이해를 변화시킵니다. 그들은 모든 잎이 많은 식물이 피보나치 패턴을 따르는 잎이 자라기 시작했다는 견해를 뒤집으면서 피보나치 나선이 아닌 나선형이 고대의 클럽모스에 있었다고 제안합니다.
또한, 그것은 잎이끼의 잎 진화와 피보나치 나선이 오늘날 양치류, 침엽수, 현화식물과 같은 살아있는 식물의 다른 그룹과 구별되는 진화의 역사를 가지고 있음을 시사합니다. 그것은 피보나치 나선이 식물 진화 전반에 걸쳐 개별적으로 여러 번 출현했음을 시사합니다.
이 작업은 또한 주요 진화론적 질문인 오늘날 식물에서 피보나치 나선이 왜 그렇게 흔한가라는 퍼즐에 또 다른 조각을 추가합니다.
이 질문은 과학자들 사이에서 계속해서 논쟁을 불러일으키고 있습니다. 등 다양한 가설이 제시되었다. 빛의 양을 최대화 각 잎이 받거나 종자를 효율적으로 포장. 그러나 우리의 발견은 화석과 clubmosses와 같은 식물에서 얻은 통찰력이 어떻게 답을 찾는 데 중요한 단서를 제공할 수 있는지를 강조합니다.
저자에 관하여
샌디 헤더링턴, 식물 진화 생물학자, 에딘버러 대학교 과 홀리 앤 터너, PhD 후보자, 고생물학, 대학 칼리지
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