生物世界中的“数学”

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  你有没有观察一片叶子,对它为什么能够精确地分成两半而感到奇怪?你有没有注意到各种花的花瓣形成的完美造型?你有没有注意到某些贝壳和松果的螺旋形生长模式?面对奇迹纷呈的生物体形,想过没有,应怎样描述,它们与数学有什么关系?
  现在,人们常把有规则形状的物体,用几何图形来描述。几何图形,即是点、线、面、体或它们的组合,如棱柱体、正方体、圆柱体、球体等“几何体”的图都是点、线组合成的平面和曲面所围成的。植物的果实,如柑橘、苹果等的形状多呈圆球体、椭圆体等几何体形,它们可用圆或椭圆、球或椭圆体等图形来描述(在笛卡儿直角坐标系图中,还可用代数方程式来描述)。
  有些植物的果实上还附有其他形状,如,枇杷中的一种,其球体的“脐”上呈“五星”形状(图1),被称为“五星”枇杷;向日葵花盘上瘦果的排列(图2),松球果鳞的布局,菠萝果实上的分块……它们都是按对数螺旋线(图3)的弧线在空间展开的。这样果实排得最紧、最多,因而产生后代的几率也最高。
  


  植物的花瓣(如图4是玫瑰花)和叶形也蕴含有数学公式。如极坐标方程的三叶玫瑰线、四叶玫瑰线(图5①②)、八叶玫瑰线等。现在,数学家们还找到了用以表达“托着娇艳花朵的睡莲叶(图6)形状”的数学公式。
  


  植物的整体形态,也蕴含有数学知识,如水杉(云杉、雪松)等树木整体多呈圆锥状(图7),这是一种沉稳、防倒伏的理想几何形状(重心低、稳度大)。这种形态有利于植物抵御狂风暴雨的袭击。
  动物体形状,多种多样,但它们在活动进程中,也跟数学知识有关。例如:
  在寒冷的冬天,猫睡觉时要把身体抱成一个球形。这样,身体露在冷空气中的表面积最小,因而散失的热量也最少。蜘蛛结的“八卦”网(图8),既复杂又非常美丽。这种八卦形的几何图案,即使木工师傅用直尺和圆规也难画得如蜘蛛网那样匀称。当对这个美丽的结构用数学方式进行分析时,你会发现在蛛网上隐藏的数学概念多得惊人——半径、弦、平行线段、三角形、全等对应角等。
  


  蜜蜂蜂房呈六角形(图9),角度也很精确,据测定其钝角为109°28′,锐角为70°32′,这样的巢不但节省材料,而且结实坚固,令建筑师惊叹不已!更令人惊奇的是,蜜蜂还“知道”两点间的最短距离是一条直直的线。工蜂在花间随意来去而采集到大量花蜜后,它知道取最直接的路线回到蜂房。
  海洋中生长着一种甲壳动物,叫做鹦鹉螺。这种鹦鹉螺的外壳呈现对数螺旋状(图10),看起来花纹色泽是非常美丽的。
  大雁总是成群结队地飞,而且排成“人”字形,某一次的观察计算,还表明“人”字夹角的一半,即每边与雁群前进方向的夹角度数为54°44′8″。而金刚石结晶体图11的角度也正好是54°44′8″!(图12)是巧合还是动物与大自然之间的某种“默契”?
  


  动物在活动过程中,有的还会运用数学知识,如英国科学家兴斯顿做过一项有趣的实验,他把一只死蚱蜢切成三块,第二块比第一块大一倍,第三块比第二块大一倍。当蚂蚁发现这三块食物40分钟后,聚集在最小一块蚱蜢旁的蚂蚁有28只,第二块有44只,第三块有89只,后一组较前一组差不多多出一倍,蚂蚁的计算如此精确,令人惊奇!不仅如此,蚂蚁们在寻找食物时,总是能够找到通往食物的最短路线。
  


  珊瑚虫(图13)也可称为“代数天才”。它在自己身上记下“日历”,每年在体壁上“刻画”出365条环纹,一天“画”一条。古生物学家发现,3亿5千年前的珊瑚虫每年“画”出400幅水彩画。天文学家告诉我们,当时的地球一昼夜只有21?郾9小时,一年不是365天,而是400天。
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