Thực vật cây cỏ cũng thích dùng "toán học cao cấp" để tiến hóa

Điều gắn kết tất cả các đặc điểm thực vật này với nhau là đặc điểm chung của chúng là được sắp xếp theo hình xoắn ốc tuân theo một dãy số gọi là dãy Fibonacci.

Những xoắn ốc này, được gọi đơn giản là "xoắn ốc Fibonacci" cực kỳ phổ biến ở thực vật và đã mê hoặc các nhà khoa học từ Leonardo da Vinci đến Charles Darwin.

Sự phổ biến của xoắn ốc Fibonacci trong thực vật ngày nay được cho là đại diện cho một đặc điểm cổ xưa và được duy trì nghiêm cẩn, có từ giai đoạn đầu tiên của quá trình thực vật tiến hóa và tồn tại đến hiện tại.

Tuy nhiên, nghiên cứu mới của Sandy Hetherington, nhà sinh vật học tiến hóa thực vật, Đại học Edinburgh và Holly-Anne Turner, nhà nghiên cứu thực vật đang theo đuổi bằng tiến sĩ tại Đại học Cork, đã thách thức quan điểm này. Họ đã kiểm tra các vòng xoắn trên lá, cấu trúc sinh sản của một loài thực vật hóa thạch có niên đại 407 triệu năm và phát hiện ra rằng, tất cả các đường xoắn ốc quan sát được ở loài cổ xưa này không tuân theo cùng một quy luật.

Ngày nay, chỉ có một số ít thực vật là không tuân theo mô hình Fibonacci.

Xoắn ốc Fibonacci là gì?

Xoắn ốc xảy ra thường xuyên trong tự nhiên và có thể được quan sát thấy trong lá cây, vỏ ốc và thậm chí trong chuỗi xoắn kép của DNA của chúng ta. Trong hầu hết các trường hợp, các vòng xoắn ốc này liên quan đến dãy Fibonacci – một tập hợp các con số trong đó mỗi số là tổng của hai số đứng trước nó (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21...).

Những mô hình này đặc biệt phổ biến ở thực vật và thậm chí có thể được nhận ra bằng mắt thường. Nếu bạn nhặt một quả thông và nhìn vào phần gốc, bạn có thể thấy các vảy gỗ tạo thành các hình xoắn ốc hội tụ về điểm cuống.

Lúc đầu, bạn chỉ có thể phát hiện các hình xoắn ốc theo một hướng. Nhưng nhìn kỹ, bạn có thể thấy cả hình xoắn ốc theo cả chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Nếu đếm số vòng xoắn theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ và trong hầu hết mọi trường hợp, số vòng xoắn sẽ là số nguyên trong dãy Fibonacci.

Trường hợp cụ thể này không phải là một trường hợp ngoại lệ. Trong một nghiên cứu phân tích 6.000 quả thông, các đường xoắn ốc Fibonacci được tìm thấy ở 97% số quả được kiểm tra.

Xoắn ốc Fibonacci còn phổ biến ở các cơ quan khác của nhiều loại cây như lá, hoa.

Nếu bạn nhìn vào ngọn của chồi lá, chẳng hạn như chồi của cây khỉ, bạn có thể thấy những chiếc lá được sắp xếp theo hình xoắn ốc bắt đầu từ ngọn và dần dần uốn lượn quanh thân cây. Một nghiên cứu về 12.000 hình xoắn ốc từ hơn 650 loài thực vật đã phát hiện ra rằng các hình xoắn ốc dạng Fibonacci xuất hiện trong hơn 90% trường hợp.

Do tần suất xuất hiện dày đặc của xoắn ốc dạng Fibonacci trong các loài thực vật hiện hữu, nên từ lâu, người ta đã cho rằng xoắn ốc Fibonacci là “khuôn vàng thước ngọc” trong tất cả các loài thực vật. Hai nhà sinh vật học Hetherington và Turner bắt đầu kiểm tra giả thuyết này dựa trên hóa thạch thực vật nguyên thủy.

Xoắn ốc phi Fibonacci ở thực vật nguyên thủy

Họ đã kiểm tra sự sắp xếp của lá và cấu trúc sinh sản trong nhóm thực vật đầu tiên được biết là có lá phát triển, được gọi là rêu móc.

Cụ thể, họ đã nghiên cứu hóa thạch thực vật của loài rêu đã tuyệt chủng Asteroxylon mackiei. Các hóa thạch này hiện được lưu giữ trong các bộ sưu tập ở Anh và Đức nhưng thực ra chúng được thu thập từ Rhynie chert – một địa điểm hóa thạch ở phía bắc Scotland.

Họ đã chụp ảnh các lát hóa thạch mỏng và sau đó sử dụng các kỹ thuật tái tạo kỹ thuật số để hình dung cách sắp xếp của lá A.mackiei ở dạng 3D và định lượng các vòng xoắn.

Dựa trên phân tích này, họ phát hiện ra rằng sự sắp xếp lá rất khác nhau ở A.mackiei. Trên thực tế, các đường xoắn ốc phi Fibonacci lại là cách sắp xếp phổ biến nhất. Việc phát hiện ra các đường xoắn ốc phi Fibonacci trong một hóa thạch sớm như vậy là điều đáng ngạc nhiên vì chúng rất hiếm gặp ở các loài thực vật ngày nay.

Lịch sử tiến hóa khác biệt

Những phát hiện này đã thay đổi hiểu biết của chúng ta về xoắn ốc Fibonacci ở thực vật trên cạn. Chúng chứng tỏ rằng các hình xoắn ốc phi Fibonacci đã có từ xa xưa ở rêu câu, đảo ngược quan điểm cho rằng tất cả các loài thực vật có lá đều bắt đầu mọc ra những chiếc lá tuân theo quy luật dãy số Fibonacci.

Hơn nữa, phát hiện đó đã chứng tỏ rằng sự tiến hóa của lá và xoắn ốc Fibonacci ở rêu chùm có một lịch sử tiến hóa khác biệt với các nhóm thực vật sống khác ngày nay, chẳng hạn như dương xỉ, cây lá kim và thực vật có hoa. Nói cách khác, các xoắn ốc Fibonacci xuất hiện nhiều lần một cách riêng biệt trong suốt quá trình tiến hóa của thực vật.

Công trình này cũng bổ sung một mảnh ghép khác cho câu hỏi tiến hóa quan trọng: tại sao các xoắn ốc Fibonacci lại phổ biến ở thực vật ngày nay?

Vấn đề này tiếp tục tạo ra cuộc tranh luận giữa các nhà khoa học. Nhiều giả thuyết khác nhau đã được đề xuất, gồm cả việc xoắn ốc phân bố theo Fibonacci tối đa hóa lượng ánh sáng mà mỗi chiếc lá nhận được để sinh trưởng và phát triển một cách hiệu quả.