动植物图案呈现的科学

吴佩君

大自然为生存其中的众多动植物设计了许多精妙的图形，图纹和色彩搭配总是令人赏心悦目，堪称最高妙的艺术家。而且，这些图案不仅很美而且很实用。那么，漂亮的图案背后又藏着哪些奥秘呢？

隐藏着生存意义的对称性

对称也许是自然界最为常见的图形了。动物界，镜像对称（左右对称）是动物对称的主要特征，比如从一只蝴蝶，一只老虎身上可以找到一条中轴线，假设一折叠，动物的左右两边可以重合。在植物中，通常是旋转对称，像许多花卉如玫瑰，动物的某些群体如海葵，绕一个顶点旋转180°后，仍然与原来的图形重合，这就是类似圆形的旋转对称。在棘皮动物中甚至有五倍对称性，比如海葵、海星、海百合等等。

对称性的东西让人能产生美感，使得人类创造了更多的对称性艺术作品。比如许多古寺庙都有中轴线，桌角板凳、厨房厨具都有一定的对称性，而古代的对联及律诗也是对称的，讲究音律美。那么，对称性对于生命生存而言还有什么科学道理吗？

目前，最普遍的解释是，在动物王国中，这种双边对称可以使得动物们在中枢神经系统指挥下，身体保持平衡，四肢更加协调。这样才能方便动物们更好地进行奔跑、行走等活动。进化论者认为，比起不对称的动物，正是双边对称的特征使得这些动物能更好地生存下来。

而对于海葵这些静止的生物来说，食物或者威胁可以来自任何方向，这就决定了它们的接收器需要遍布在各个方向，所以常常呈现旋转对称。

对称性也常常暗示着动植物有更好的基因，因为只有良好的基因才能策划出如此有规律的生长模式，这也暗示这个生物是健康的，会受到异性的青睐而存活下来。

螺旋状与黄金角

在植物界，向日葵的种子之间没有丝毫间隙地紧密排列，形成令人艳羡的完美螺旋形。菠萝皮、蛇果皮，都按螺旋形排列；高等植物围绕着树茎生长的叶子也是呈螺旋状排列。不仅如此，这里面还蕴含有数学规律。如果以一片叶子作为起点，沿着螺旋开始向上数叶片，将数到的最后一片在方向上和起始叶片重叠的叶片作为终点，记录第一片叶子和最后一片叶子的螺旋形绕茎的周数（叶序周数）及叶片的总数，就会发现，植物的叶序周数和叶片总数，花盘类植物的螺旋数竟然都是斐波那契数。斐波那契数指的是一组如0、1、1、2、3、5、8、13、21、34等的整数数列，每个数字大都是前两个数字之和。

当再测量下根据斐波那契数列排列的植物螺旋线的弧度时，就会发现这些弧度形成的角度正好是137.5°，许多植物的茎叶和果实几乎都是按照这个137.5°模式排列的。137.5°这个角度有什么特别之处吗？

通过计算机模拟，科学家们确认137.5°堪称黄金角度，因为它竟然是种子不留间隙排列的唯一角度，也就是说这种角度使得花朵顶端可以排列最多的种子，或者使得树干拥有最多的叶子。对于植物而言，只有选择这种数学模式，才能最大限度地利用生长空间，使得所有的花盘种子或者叶子具有差不多的大小而又疏密得当。对叶片排列而言，按斐波纳那契数螺旋式排列能最大程度减少叶片之间的相互遮挡，更有效地吸收太阳光，进行光合作用。可见植物叶子或种子的螺旋式排列不只是美观，它更是植物生存的基本需要。

不仅是植物世界，螺旋图案广泛存在于整个自然界中。一架大型喷气式客机如果想节省时间地走捷径，比如从欧洲直线飞往北美洲，最终很可能会尴尬地降落在目的地以北3000千米的地区，避免飞机在北极圈着陆的唯一办法就是按照螺旋形路线前进。马桶里的涡旋、毁灭性的飓风、龙卷风这些也是螺旋图案。今天，科学家们已经找到了其中部分原因，它可能来源于科里奥利效应。在这种效应中，地球的自转力往往使所有物体朝同一个方向运动，赤道以北的低压系统逆时针自转，南半球的情况则正好相反，这种自传力正是许多螺旋结构形成的来源。

绚丽的斑点与条纹

斑点点缀着豹子和瓢虫使得它们格外漂亮，神仙鱼和斑马的条纹也让人觉得异常夺目。神奇的大自然从来不会生产无用之物，这些漂亮的小装饰又有哪些意想不到的用途呢？

一个合理的解释是，这些图案将增加动物们生存和繁殖的几率。动物图案的一个功能是伪装。花纹和斑点常常有隐藏、迷惑的作用。例如，纯色反射的是整齐的模式，而斑马黑白图案反射的是多种光线，利用这种反射，斑马在奔跑过程中很容易晃得让捕食者眼花，夺命吸血蝇也不喜欢降落在这种黑白图案上面。豹子的斑点身体则像一个迷彩服一样，可以让它很好地在丛林里伪装。

这些图案的另一个功能是发送信号。一个有着黑色斑点的瓢虫不太可能被猛禽攻击，因为如果一个动物具有很刺眼的警告颜色，可能暗示着苦味或有毒。如果一只小鸟第一次见到瓢虫，无视警示图案吃它们后，也只会尝试这么一次，很快就会吐出这些味道很苦的虫子。在与这些颜色亮丽的虫子长期斗争的过程中，鸟类将学会辨别这样外表的虫子不能吃。

对于那些有花纹和色彩的植物来说，这些图案可能让植物们更显目，吸引远处的授粉动物。研究者们已经证实欧洲蜜蜂及其他传粉昆虫，会被花辐射状的色彩和条纹吸引。