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藏在植物中的黄金比

自然界中,鲜花千姿百态、色彩斑斓;植物的叶子鲜翠欲滴、生机盎然,给我们带来了和谐的美感。当我们留心观察时,我们会惊奇地发现,原来,植物的生长并不是杂乱无章的,而是暗藏着数学的逻辑之美,如花瓣中有对称,向日葵中有斐波那契数列,花朵排列中有周期,……不仅如此,科学家还发现植物中,存在着神奇的黄金分割比。

如果用线段来描述的话,就是将一条线段分成两段,短线与长线的比等于长线与整条线段的比,这个比是无理数(无限不循环小数),数值为0.618…

黄金分割比在自然中备受植物的“青睐”。许多植物的叶片、花瓣的排列都有黄金分割比的“足迹”。常见的树叶中,也将黄金分割比展现得淋漓尽致,充分体现了数学与自然界的奇妙联系。

植物带着数学真理降临世界!细心观察,我们会发现大部分植物的叶子是呈螺旋状生长的,上下层中每相邻的两片叶子之间会形成一个夹角,这个夹角是一个特定的角度,约是137.5°。137.5°其实就是圆的黄金分割张角(137.5÷360°≈0.382)。我们把周长为 c 的圆周按照黄金分割比分为两部分,各部分弧长为 a b ,即 ,那么大弧长 a 所对应的圆心角约为222.5°,而小弧长所对应的圆心角约为137.5°,这个角度又称为“黄金角”。以最常见的车前草为例,它轮生的叶片间夹角约是137.5°,恰恰是黄金角的度数,神奇吗?

植物轮生叶片的生长夹角选择137.5°难道仅仅是因为美观吗?植物要更好地生存,就需要尽可能多地获取阳光进行光合作用,或承接尽可能多的雨水灌溉根部。植物的轮生叶片,要更好地接受阳光,新芽要与旧芽离得尽量远,那么新芽就应该长到旧芽对侧方向,此时新芽和旧芽之间就会形成180°的夹角。但是如果是按照这样的角度生长的话,第2个新芽与旧芽方向就相同了,第3个新芽与第1个新芽方向也相同……也就是说,仅绕1周芽与芽就出现了重叠,而且总共只有2个生长方向,中间的空间都浪费了。如果新芽和旧芽的夹角为120°呢?那么同样绕一周就出现重叠,而且总共也只有3个方向。

我们可以把这个角度写成 ,其中 是个真分数,芽生长时虽然左右各有一个角度,但我们可以看作是一种生长方式(只是旋转的方向不同),例如, 实际上结果相同,夹角是108或252。因此我们只需考虑 的情况。假如 ,也就是夹角为180°,那么,绕1周芽与芽会重叠,生长方向有2个。如果 = ,那么,绕3周芽与芽就会重叠,生长方向有5个。事实上,如果 是真分数,则意味着绕 p 周芽与芽就出现重叠,共有 q 个生长方向。

显然,如果 是没法用分数表示的无理数(无限不循环小数),就会“有理”得多。选什么样的无理数呢?小学中,我们认识了第一个无理数圆周率π,这其实也不是最好的选择,因为它的小数部分与 非常接近,也就是绕1周芽与芽就出现重叠,生长方向也只有7个方向。所以结论是,越是“无理”的无理数越好。大自然选择的 的最佳值≈0.618,即新芽相比旧芽的最佳旋转角度大约是360×0.618≈222.5°或137.5°。

原来,黄金角在植物中发挥了惊人的作用,按照这一角度轮生生长的叶子或者花瓣,有助于确保每一片叶子或者花瓣充分占据空间,避免遮挡,从而最大程度地吸收阳光,达到光合作用的最大效果。

如果你留意大千世界,除了植物以外,很多生物身上都有黄金分割比的痕迹,人体也一样。大自然不仅造就了生物的多样性,而且造就了生命的和谐美。因此,我们没有理由不热爱大自然,没有理由不热爱生命。 6cB6Ierid9tEEqQUxxXEHX5rF00jA2VQHgUUlmOA0wreIn0F3L7S0j0fENXAX16Q

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