植物王國的奧秘

□葉 莉

植物王國的奧秘

□葉 莉

著名數學家笛卡爾通過對茉莉花瓣和葉片輪廓曲線的研究，列出了X3=Y3-3axy=0的方程式，這就是現代數學中有名的“笛卡爾葉線”。睡蓮葉子的形狀，就是一個較為復雜的高次方程。讀了這篇文章，你還會知道很多很多。

說來有趣，在人類居住的地球上，從熱帶到寒帶，從島嶼到高山，從海洋到沙漠，到處都有植物的蹤跡。在這浩瀚深邃的綠色世界里，蘊藏著許多數理奧秘。

科學家經過研究發現，千姿百態的葉片和萬紫千紅的花朵，其外形輪廓和空間排列都有一定的數學規律。

著名數學家笛卡爾通過對茉莉花瓣和葉片輪廓曲線的研究，列出了X3=Y3-3axy=0的方程式，這就是現代數學中有名的“笛卡爾葉線”，也稱“茉莉花瓣曲線”。其他一些植物的葉片的形狀也可以用一定的書寫公式來描述，例如睡蓮葉子的形狀，就是一個較為復雜的高次方程。

向日葵花盤上的瘦果排列，松樹球果上的果鱗分布，都是按照對數螺旋線的弧形排列，這樣可以使果實排列得最緊密，容納的數量最多，從而也就保證后代的繁殖率最高。

車前草的葉片排列十分巧妙，呈螺旋排列，既不相互重疊，又能最大限度地獲得陽光，結果就大大提高了光合作用效率，合成出更多的有機物。建筑師們根據這一原理，設計建造了現代化的螺旋式高樓，每個房間都能達到最佳采光效果。

植物的外部形態也非常符合幾何原理。比如，樹干大都是基部粗、上部細、呈圓錐形，尤其是高山上的云杉，整個樹形都是圓錐形。這是一種抗倒伏的理想幾何形狀，可以抵御狂風暴雨的襲擊。古代的塔和現代的電視塔，都是模仿云杉的形態建造的，即使遇到12級臺風，也可巋然不動。由于日本是個多地震的國家，日本建筑師仿照云杉形態，設計建造了一幢43層的高樓。該樓有極好的抗震能力，強地震時即使樓頂的擺動幅度達到70厘米，仍可安然無恙。

大自然賦予植物莖葉的巧妙結構，則是力學家的好“老師”。植物的莖大多為圓柱狀，其原因是以圓柱形作支撐物最為堅固。因此，古今中外的大型建筑物、大多數也都采用圓柱作頂梁柱，這是建筑師們向植物莖稈學習的結果。

小麥莖稈的堅固程度更是令人吃驚。它雖然細而中空，卻能牢固地支撐著沉甸甸的麥穗。根據力學原理，中空的莖與同樣粗度的實心莖相比，兩者的持撐能力是相等的。小麥莖稈的這種中空結構，以耗費最少的材料面獲得了最大的堅固性。現在人們使用的中空電線桿，正是仿照小麥莖稈制作的。

至于植物葉片的巧妙結構，首先要說的是玉蓮的葉片，它又圓又大，直徑可達2米左右，浮在水面上好像兩個大碧玉盤，可以負載六七十千克的重物，即使上面坐一位五六歲的兒童也不會破裂或下沉。玉蓮的葉片如此牢固，主要是因為其結構非常符合力學原理。在葉片的背面有粗大的葉脈，呈多次二歧分叉，構成了堅固的“骨架”，葉脈之間又布滿了縱橫交錯的鐮刀形小葉脈，這樣就使葉片非常牢固。英國建筑師約瑟在玉蓮葉片結構的啟示下，設計建造了一座結構輕巧、頂棚跨度極大的展覽大廳，整個建筑明亮而雄偉。

再說說椰樹、蒲葵、油棕等植物葉片的“之”字折扇狀結構，由于這種結構具有較大的張應力，可以承受外界給予的較大壓力，所以不易被狂風暴雨撕裂和折斷。工程師們受到這種葉片結構的啟迪，設計制造出了波形板、瓦楞紙板等新穎堅固的建筑材料。

還有多數禾本科植物的葉片都較長，它往往卷成了筒狀，以增加其堅固性來抵御暴風雨的襲擊。橋梁工程師們受到這種葉片的啟迪，設計建造了輕便、牢固的“筒形葉橋”。