新浪博客

形态各异的海螺是遵循什么数学规则而形成的

2019-11-03 20:08阅读:
形态各异的海螺是遵循什么数学规则而形成的?
前几天看了一篇《环球科学》的文章《只知道斐波那契数列?为了好看,这些贝壳把自己逼成了数学家》,写的不错,通俗易懂,然而总感觉不自然,过于牵强附会。
文中说贝壳生成需要遵循三个数学基本法则:扩张、旋转和扭转。这是物理方法好吧?咱文化浅但也分得清物理与数学的区别好吧!外国人为了赚经费连脸面都不要了!
不过,这篇文章也引起我的思考:形态各异的海螺到底是遵循什么数学规律而形成的呢?
尽管螺形状各式各样、千奇百怪,螺都是最先由一个很小很细的空心圆锥慢慢扩张、旋转、扭转而形成的螺旋体,该螺旋体一直是增量扩张,螺口最大。
螺的另一特征是都有棘,各式各样、形形色色的棘也成为各种螺的明显区别。棘一般相对于它们海螺壳口方向垂直地向外伸出,它们既具有装饰作用更具有防御作用。由螺尖处的细小凸点,随着海螺渐渐变大变粗,棘也慢慢的变粗变长,变成突出螺面几厘米的凸出,同时也在变稀疏,非常有规律。
看着扭转的海螺以及其壳上规律生长的棘,总有一种似曾相识的感觉:棘的分布这么有规律,像什么呢?
把螺口扣在桌上,其壳上规律分布的棘像什么呢?不就是一棵小树吗?
仔细想想,海螺不就是一棵反向生长的小树吗?海螺靠外套膜分泌碳酸钙形成壳体,碳酸钙一旦硬化就不能再生长,而海螺需要的是壳内的空间,海螺要长大只能靠增量扩张,结果长成了头顶尖尖屁股大。而树木的生长层就在树皮下面,而在木质纤维的外部,新生成的细胞硬化成纤维与原来的纤维成为一体,生长层则继续向外生长,所以树木每年都在原来的基础上长粗长高,最后形成下粗上细的塔型。它们由于材质的不同或者说需要不同而长成了相反的形状,但是生长方式是一样的,尤其树枝的错落分布与海螺棘的规律生长何其相似!这说明两种生物,一种植物,一种动物,它们的生长都遵循了同一个规则!
是什么规则呢?让我们来看看伟大的数学吧。
我们都知道上世纪九十年代产生了一个数学游戏:奇偶归
一。这个游戏十分简单:任意写出一个自然数N,并且按照以下的规律进行变换:
如果是个奇数,则下一步变成3N+1
如果是个偶数,则下一步变成N/2
经过多次变换,人们发现,无论N是怎样一个数字,最终都无法逃脱回到谷底1。准确地说,是无法逃出落入底部的4-2-1循环,永远也逃不出这样的宿命。就像云层中的冰雹,无论上下翻腾多少次,最后总是会坠落地面,所以又叫做'冰雹猜想'。这个猜想实际就是一个数学规则:3N+12^(m-1)。
冰雹猜想至今既没有得到反例,也没有人能够证明,甚至无人理解它的数学意义。
研究成果也不多,有点意义的也就是考拉兹通过逆向变换的法则得到地起始于119级的考拉兹图,还有数学艺术家埃德蒙.哈里斯通过树形图发现所有的偶数向右转,所有的奇数向左转 形态各异的海螺是遵循什么数学规则而形成的
其实仔细观察考拉兹图,也可以发现偶数向左转、奇数向右转这一规律。
形态各异的海螺是遵循什么数学规则而形成的
观察上图,红色的偶数轴就好像一根根管道,连接每一个分支,最后总是汇聚到最基本的1248轴上;而绿色的奇数轴则都处在分支位置,竭力左旋,好像要努力挣脱偶数轴一般。本图由“冰雹猜想”逆向变换而来,那么我们也逆向思考,由1向上,124816分支,然后3264再分支,128256后又分支,这像不像一根根生命力旺盛的树枝,竭尽全力生长、分支?此图给我一种充满蓬勃生命力的感觉,它会不会是一棵大树旺盛生长的数学揭示?
有此思路之后,我又将上图按照偶数主副轴的方式重新排列,果然得到一个树形图。

形态各异的海螺是遵循什么数学规则而形成的
(此图上几条没有分叉的偶数轴没有绘制,因为我认为其没有意义。)
得到此图,惊得我目瞪口呆:原来按照“冰雹猜想”的逆向规则3N+12^(m+1)竟真的绘制出了一棵生命之树!
对于大树来说,偶数轴就是主干及内部向下输送营养的管道,而向左旋转的奇数则爆发出生命的活力,萌发出一个个分支,其中质数的生命力最强。对于海螺来说,偶数轴就是壳体及内部的空腔,奇数轴则是那一根根规律分布的棘。
这棵生命之树是三维的,自左向右旋转,随着级数的升高,分支的分叉能力越来越小,这与大树的生长状况是相符的;海螺中的90%都向右扭转也是符合这一规律的。
漂亮海螺的棘为什么是分形样分布?大树的各层树枝分布的为什么那么规律,采光率那么高?
还是因为遵循这一数学规则:X(n+1)=(3Xn+1)/2m,X为奇数,m=1,2,3……,这是按照这一规则写出的迭代公式,带入数值不断迭代,在计算机中就会得到优美的分形图。
形态各异的海螺是遵循什么数学规则而形成的
看到这里,你不感到惊奇吗?海螺的壳为什么向右旋?海螺的棘为什么呈分形?大树为什么大都是塔型?树枝不对称却分布匀称?这些长久困扰人们的生物问题却因为一个数学规则而得以解答!

丰富多样的自然生命的多彩多姿竟然源于一个简单的数学规则!数学真是太神奇了!

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享