向日葵花頭生長的模擬實驗


        植物是以種子和嫩芽開始生長;種子發芽後,很多細根會長出來,並且向地底下生長,而嫩芽則是迎向陽光。

        如果用顯微鏡觀察新芽的頂端,你可以看到所有植物的主要徵貌的生長過程--包括葉子、花瓣、萼片、小花(floret)等等。在頂端的中央,有一個圓形的組織稱為「頂尖」(apex);而在頂尖的周圍,則有微小隆起物一個接一個的形成,這些隆起則稱為「原基」(primordium)。

        成長時,每一個原基自頂尖移開(頂尖從隆起處向外生長,新的原基則在原地);最後,這些隆起原基會長成葉子、花瓣、萼片等等。每個原基都希望生成的花、蕊、或葉片等等,之後能夠獲得最大的生長空間。例如葉片希望得到充足的陽光,根部則希望得到充足的水份,花瓣或花蕊則希望充份地自我展現好吸引昆蟲來傳粉。因此,原基與原基隔得相當開,由於較早產生的原基移開的較遠,所以你可以從它與頂尖之間的距離,來推斷出現的先後次序。另人驚奇的是,我們若依照原基的生成時間順序描出原基的位置,便可畫出一條捲繞得非常緊的螺線--稱為「生成螺線」(generative spiral)。

        晶體學先驅布拉菲兄弟(Auguste and Louise Bravais)發現原基沿生成螺線交錯排列的數學規則。他們量測相鄰兩原基之間的角度,發現量得的各個角度非常相近;這些角的共同值就稱為「發散角」(divergence angle)。他們並且發現發散角往往非常接近 137.5 度 (或 222.5 度,如果從另一邊量起),也就是「黃金角」。

        大自然的機制使得原基的生長遵循著有效率堆排的幾何原理。一九七九年,數學家伏格(H. Vogel)以電腦模擬原基的生長情形,他用圓點來代表向日葵的原基,在發散角為固定值的假設下,試圖找出最佳的發散角使這些圓點盡可能緊密地排在一起。他的電腦實驗顯示,當發散角小於137.5度,圓點間就會出現空隙,而只會看到一組螺線;同樣的,如果發散角超過137.5度,圓點間也會出現空隙,但是這次看到的是另一組螺線。因此,如果要使圓點排列沒有空隙,發散角就必須是黃金角;而這時,兩組螺線就會同時出現。簡言之,要使花頭最密實、最堅固,最有效的堆排方式是讓發散角等於黃金角。

bullet200 個原基發散角為 137.5 度的生長情形 :

bullet100 個原基以 60 度為發散角的生長情形 :

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