Die stacheligen Äste eines Affenpuzzlebaums. Joshua Bruce Allen/Shutterstock
Wenn Ihr Blick schon einmal von der Anordnung der Blätter an einem Pflanzenstamm, der Beschaffenheit einer Ananas oder den Schuppen eines Tannenzapfens angezogen wurde, dann haben Sie unwissentlich brillante Beispiele mathematischer Muster in der Natur gesehen.
Was all diese botanischen Merkmale miteinander verbindet, ist ihr gemeinsames Merkmal, dass sie in Spiralen angeordnet sind, die einer numerischen Folge namens folgen Fibonacci-Folge. Diese Spiralen, der Einfachheit halber Fibonacci-Spiralen genannt, sind in Pflanzen äußerst weit verbreitet und haben Wissenschaftler von Leonardo da Vinci bis Charles Darwin fasziniert.
Die Verbreitung von Fibonacci-Spiralen in Pflanzen ist heute so groß, dass man annimmt, dass sie ein Problem darstellen altes und hochkonserviertes Merkmal, die auf die frühesten Stadien der Pflanzenentwicklung zurückgehen und in ihrer heutigen Form bestehen bleiben.
Aber unser neue Studie stellt diesen Standpunkt in Frage. Wir haben die Spiralen in den Blättern und Fortpflanzungsstrukturen einer versteinerten Pflanze untersucht, die 407 Millionen Jahre alt ist. Überraschenderweise stellten wir fest, dass nicht alle bei dieser bestimmten Art beobachteten Spiralen derselben Regel folgten. Heutzutage folgen nur noch sehr wenige Pflanzen keinem Fibonacci-Muster.
Holly-Anne Turner, Erstautorin der Studie, erstellt digitale 3D-Modelle von Asteroxylon mackiei an der University of Edinburgh. Luisa-Marie Dickenmann/Universität Edinburgh, CC BY-NC-ND
Was sind Fibonacci-Spiralen?
Spiralen kommen in der Natur häufig vor und sind in Pflanzenblättern, Tierpanzern und sogar in der Doppelhelix unserer DNA zu sehen. In den meisten Fällen beziehen sich diese Spiralen auf die Fibonacci-Folge – eine Reihe von Zahlen, bei denen jede die Summe der beiden vorhergehenden Zahlen ist (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 usw.).
Besonders bei Pflanzen sind diese Muster weit verbreitet und sogar mit bloßem Auge erkennbar. Wenn Sie einen Tannenzapfen in die Hand nehmen und auf die Basis schauen, können Sie sehen, dass die holzigen Schuppen Spiralen bilden, die zum Verbindungspunkt mit dem Ast hin zusammenlaufen.
Zunächst können Sie möglicherweise nur Spiralen in einer Richtung erkennen. Aber wenn Sie genau hinschauen, können Sie Spiralen sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn erkennen. Zählen Sie nun die Anzahl der Spiralen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn. In fast allen Fällen handelt es sich bei der Anzahl der Spiralen um ganze Zahlen in der Fibonacci-Folge.
Derselbe Tannenzapfen ist farbcodiert und zeigt 8 Spiralen im Uhrzeigersinn und 13 Spiralen gegen den Uhrzeigersinn. 8 und 13 sind aufeinanderfolgende Zahlen in der Fibonacci-Reihe. Sandy Hetherington, Autor zur Verfügung gestellt
Dieser besondere Fall ist kein Ausnahmefall. In einem Studie Bei der Analyse von 6,000 Tannenzapfen wurden Fibonacci-Spiralen in 97 % der untersuchten Zapfen gefunden.
Fibonacci-Spiralen kommen nicht nur in Tannenzapfen vor. Sie kommen häufig in anderen Pflanzenorganen wie Blättern und Blüten vor.
Wenn Sie sich die Spitze eines Blatttriebs, beispielsweise des Affenpuzzlebaums, ansehen, können Sie erkennen, dass die Blätter spiralförmig angeordnet sind, die an der Spitze beginnen und sich nach und nach um den Stamm winden. A Studie Von 12,000 Spiralen aus über 650 Pflanzenarten wurde festgestellt, dass Fibonacci-Spiralen in über 90 % der Fälle vorkommen.
Aufgrund ihrer Häufigkeit bei lebenden Pflanzenarten wurde lange angenommen, dass Fibonacci-Spiralen uralt und in allen Pflanzen hochkonserviert seien. Wir wollten diese Hypothese mit einer Untersuchung früher Pflanzenfossilien überprüfen.
Beispiele lebender Pflanzen mit Fibonacci-Spiralen. Von links nach rechts: Spiralen in den Blättern eines Affen-Puzzle-Baums, ein Tannenzapfen und in der Blüte eines Strandgänseblümchens. Sandy Hetherington, Autor zur Verfügung gestellt
Nicht-Fibonacci-Spiralen in frühen Pflanzen
Wir untersuchten die Anordnung von Blättern und Fortpflanzungsstrukturen in der ersten Gruppe von Pflanzen, von denen bekannt ist, dass sie Blätter entwickelt haben Clubmoos.
Konkret untersuchten wir Pflanzenfossilien der ausgestorbenen Bärlaucharten Asteroxylon mackiei. Die von uns untersuchten Fossilien befinden sich heute in Museumssammlungen im Vereinigten Königreich und in Deutschland, wurden aber ursprünglich dort gesammelt Rhynie Hornstein – eine Fossilienfundstelle im Norden Schottlands.
Wir machten Bilder von dünnen Fossilienscheiben und nutzten dann digitale Rekonstruktionstechniken, um die Anordnung der Fossilien zu visualisieren Asteroxylon Mackieis Blätter in 3D und quantifizieren die Spiralen.
Basierend auf dieser Analyse stellten wir fest, dass die Blattanordnung sehr unterschiedlich war Asteroxylon mackiei. Tatsächlich waren Nicht-Fibonacci-Spiralen die häufigste Anordnung. Die Entdeckung von Nicht-Fibonacci-Spiralen in einem so frühen Fossil ist überraschend, da sie bei heute lebenden Pflanzenarten sehr selten sind.
Lebensrekonstruktion des fossilen Asteroxylon mackiei. Matt Humpage/Northern Rogue Studios, CC BY-NC-ND
Ausgeprägte Evolutionsgeschichte
Diese Erkenntnisse verändern unser Verständnis der Fibonacci-Spiralen in Landpflanzen. Sie legen nahe, dass Spiralen, die nicht dem Fibonacci-Prinzip entsprachen, in Bärenmoosen uralt waren, und widerlegen damit die Ansicht, dass alle Blattpflanzen ursprünglich Blätter bildeten, die dem Fibonacci-Muster folgten.
Darüber hinaus deutet es darauf hin, dass die Blattentwicklung und die Fibonacci-Spiralen bei Bärenmoosen eine Evolutionsgeschichte hatten, die sich von der anderer heute lebender Pflanzengruppen wie Farnen, Nadelbäumen und Blütenpflanzen unterscheidet. Dies deutet darauf hin, dass Fibonacci-Spiralen im Laufe der Pflanzenentwicklung mehrmals separat entstanden sind.
Die Arbeit fügt auch ein weiteres Puzzleteil zu einer wichtigen evolutionären Frage hinzu: Warum sind Fibonacci-Spiralen heutzutage in Pflanzen so häufig?
Diese Frage sorgt weiterhin für Debatten unter Wissenschaftlern. Es wurden verschiedene Hypothesen vorgeschlagen, darunter auch Maximieren Sie die Lichtmenge dass jedes Blatt erhält oder erhält Samen effizient verpacken. Aber unsere Ergebnisse verdeutlichen, wie Erkenntnisse aus Fossilien und Pflanzen wie Bärenmoosen wichtige Hinweise für die Suche nach einer Antwort liefern können.
Über den Autor
Sandy Hetherington, Pflanzenevolutionsbiologe, Die Universität von Edinburgh und Holly-Anne Turner, Doktorand, Paläobotanik, University College Cork
Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.
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