Поднимите сосновую шишку и посмотрите на неё с торца, со стороны черенка. Чешуйки складываются в две системы спиралей: одни закручены по часовой стрелке, другие против. Сосчитайте и те и другие. У сосновой шишки обычно выходит 8 и 13, у крупной еловой — 13 и 21. В подсолнухе 34 и 55, у ананаса 5, 8 и 13.
Сосновая шишка с торца: чешуйки выстроены в 8 спиралей, закрученных в одну сторону, и 13 — в другую. Иллюстрация.
Это числа Фибоначчи: каждое — сумма двух предыдущих, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55. Тысячи растений, не родственных друг другу, считают одинаково. Причина не в замысле и не в наследственности, а в геометрии: каждая новая чешуйка закладывается на верхушке побега там, где больше всего свободного места, — и это автоматически даёт поворот на 137,5° от предыдущей. Такой угол не даёт чешуйкам выстроиться в ряды и заполняет поверхность плотнее любого другого. А спирали Фибоначчи — просто то, как наш глаз связывает точки, расставленные под этим углом.
Что сделать. Возьмите три шишки разного размера и посчитайте спирали в каждую сторону. У всех получатся два соседних числа из ряда 3, 5, 8, 13, 21. Попробуйте найти шишку с 7 или 10 — не найдёте.
Что происходит на верхушке побега. Растение растёт точкой. На самом кончике стебля есть зона, где из ткани отделяются крошечные бугорки — будущие листья, чешуйки или лепестки. Каждый новый бугорок появляется не где попало: он формируется там, где для него больше всего места, подальше от двух-трёх предыдущих. Это правило сформулировал Вильгельм Гофмейстер в 1868 году.
Если измерить угол между двумя последовательными бугорками, он оказывается близок к 137,5°. Угол повторяется у подсолнуха, капусты, кактуса, сосны — у видов, не имеющих общего предка на сотни миллионов лет.
Почему именно этот угол. Представьте, что рассаживаете чешуйки по стеблю и каждую следующую поворачиваете на один и тот же угол. Если угол — простая доля оборота, скажем треть или две пятых, новые чешуйки скоро лягут точно над старыми, столбиками, и между столбиками останутся пустые полосы. Если же угол — иррациональная доля оборота, чешуйки никогда не лягут друг над другом и всегда попадут в промежутки.
золотой угол — самый «неповторяющийся»: листья не затеняют друг друга
каждый новый лист — на 137,5° от предыдущего
спирали: 21 в одну сторону, 34 в другую — соседние числа Фибоначчи
Верхушка побега сверху: каждый лист на 137,5° от предыдущего, и никто никого не затеняет; в корзинке подсолнуха — спирали Фибоначчи. Схема.
Но иррациональные числа бывают «более» и «менее» иррациональными: одни хорошо приближаются простыми дробями, другие — плохо. Самое упрямое из всех — золотое сечение:
То есть золотой угол — это доля оборота, которую хуже всего удаётся приблизить дробью с малым знаменателем, и потому чешуйки под ним дольше всего не выстраиваются в ряды. Это наилучшая возможная упаковка для элементов, появляющихся по одному.
Откуда берутся числа Фибоначчи. Когда точки расставлены под золотым углом, глаз связывает ближайшие в спирали. Сколько спиралей насчитается, зависит от плотности упаковки, и это всегда два соседних числа ряда Фибоначчи: они — лучшие дроби, приближающие золотое сечение, $8/13$, $13/21$, $21/34$. Спирали в шишке — не то, что растение строит, а то, что мы видим в узоре из точек.
Предположения, на которых стоит объяснение:
Бугорки закладываются по одному, с постоянным промежутком времени.
Каждый новый отталкивается от прежних — химически или механически.
Верхушка растёт, и старые бугорки уходят от центра.
Нарушьте любое — и получится другой узор, об этом в «Глубже».
Тот же угол вне растений. В компьютерной графике золотой угол используют, чтобы расставить точки без видимых полос — при выборке направлений в моделях освещения. На нём же предлагают размещать точки на сфере — от датчиков на куполе до орбит спутниковых группировок, где аппараты должны покрывать небо равномерно. Задача одна: разместить как можно больше элементов как можно равномернее, без общего плана.
Опыт, который вывел золотой угол из ботаники. Долго считалось, что золотое сечение в растениях — особая черта живого, едва ли не след замысла. В 1992 году физики Стефан Дуади и Ив Кудер собрали установку без единой клетки: в центр чаши с маслом одну за другой роняли капли магнитной жидкости, магнитное поле отталкивало капли друг от друга и медленно уводило к краю. Капли сами расставлялись под углом 137,5° и складывались в спирали Фибоначчи. Когда капли роняли реже, узор переходил на другие пары чисел, когда чаще — на следующие, ровно как на верхушке побега1.
Опыт Дуади и Кудера, вид сверху: капли магнитной жидкости падают по одной в центр чаши с маслом, поле расталкивает их к краю, и каждая встаёт на 137,5° от предыдущей. Схема.
Значит, золотой угол возникает в целом классе систем, где элементы появляются по очереди и расталкивают предыдущие. Растения в этот класс попадают, но не они одни.
Как из отталкивания получается угол. В модели Дуади — Кудера единственный параметр — отношение скорости ухода элементов от центра к промежутку между их появлениями:
$$G=\frac{v\,T}{R_0}$$
модель
Иначе говоря, $G$ показывает, далеко ли успел уйти предыдущий элемент к моменту появления нового. При большом $G$ прежние элементы далеко, и новый садится напротив предыдущего — угол 180°, листья по два. При уменьшении $G$ угол уходит от 180° и сходится к 137,5°, а видимые спирали проходят пары чисел 1–2, 2–3, 3–5, 5–8 и дальше. Растение не «вычисляет» золотое сечение — оно проходит по этой лестнице по мере того, как растёт верхушка.
Насколько это правило строго. В 2016 году Джонатан Суинтон и коллеги провели самое большое измерение: 657 подсолнухов, выращенных добровольцами по всей Британии в память об Алане Тьюринге — он занимался этой задачей в последние годы жизни. Из 768 надёжно посчитанных семейств спиралей 565, то есть 74 %, дали числа Фибоначчи; ещё 67 — родственные ряды того же устройства, например ряд Люка 1, 3, 4, 7, 11, 18. Но почти каждый пятый подсолнух показал либо число не из ряда, либо узор сложнее любого описанного2. Правило сильное, но не железное.
Границы этого рассуждения.
Золотой угол — не константа природы, а притягивающее значение. Измеренные углы у растений — от 135° до 140°; 137,5° — центр распределения, а не точное значение у каждого бугорка.
Есть растения вне правила. Супротивные и мутовчатые листья — угол 180° и 120°, это те же модели при большом $G$. Нарушение отталкивания дают и мутанты с хаотичным листорасположением.
Модель говорит о геометрии, а не о молекулах. Что именно «отталкивает» бугорки — гормон ауксин, вытягиваемый из зоны вокруг каждого зачатка, — установили только в 2000-е; модель 1992 года об этом молчит и работает с любым отталкиванием.
Симметрия шишки — следствие, а не цель. Шишка симметрична, потому что все её чешуйки заложены одним правилом с одним углом; стоит правилу дать сбой, и шишка выходит кривой — такие попадаются.
О чём спорят. Какая из моделей ближе к растению — геометрическое отталкивание Дуади — Кудера, химическое ингибирование ауксином или механика напряжений в растущей ткани, — обсуждают до сих пор: все три дают золотой угол в норме и расходятся в предсказаниях о сбоях. Именно поэтому Суинтон собирал не только фибоначчиевы подсолнухи, а «неправильные»: сбои различают модели лучше, чем норма.
Открытый вопрос. Почему у одних видов сбои редки, а у подсолнуха — каждый пятый? Связано ли это с размером корзинки, скоростью роста или чем-то ещё, по 657 растениям решить нельзя; для ответа нужен такой же счёт на шишках, кактусах и капусте.
Douady S., Couder Y. Phyllotaxis as a physical self-organized growth process. Physical Review Letters 68:2098–2101, 1992 (link.aps.org). ↩
Swinton J., Ochu E., The MSI Turing's Sunflower Consortium. Novel Fibonacci and non-Fibonacci structure in the sunflower: results of a citizen science experiment. Royal Society Open Science 3:160091, 2016 (royalsocietypublishing.org). ↩