Les branches épineuses d'un arbre de puzzle de singe. Joshua Bruce Allen/Shutterstock
Si vos yeux ont déjà été attirés par la disposition des feuilles sur une tige de plante, la texture d'un ananas ou les écailles d'une pomme de pin, alors vous avez sans le savoir été témoin de brillants exemples de modèles mathématiques dans la nature.
Ce qui relie toutes ces caractéristiques botaniques, c'est leur caractéristique commune d'être disposées en spirales qui adhèrent à une séquence numérique appelée le Séquence de Fibonacci. Ces spirales, appelées spirales de Fibonacci pour leur simplicité, sont extrêmement répandues dans les plantes et ont fasciné les scientifiques de Léonard de Vinci à Charles Darwin.
La prévalence des spirales de Fibonacci dans les plantes est telle aujourd'hui qu'on pense qu'elles représentent un caractéristique ancienne et hautement conservée, datant des premiers stades de l'évolution des plantes et persistant sous leurs formes actuelles.
Cependant, notre nouvelle étude conteste ce point de vue. Nous avons examiné les spirales des feuilles et les structures reproductrices d'une plante fossilisée datant de 407 millions d'années. Étonnamment, nous avons découvert que toutes les spirales observées chez cette espèce particulière ne suivaient pas cette même règle. Aujourd'hui, seules quelques plantes ne suivent pas un modèle de Fibonacci.
Holly-Anne Turner, première auteure de l'étude, crée des modèles numériques 3D d'Asteroxylon mackiei à l'Université d'Édimbourg. Luisa-Marie Dickenmann/Université d'Édimbourg, CC BY-NC-ND
Que sont les spirales de Fibonacci ?
Les spirales sont fréquentes dans la nature et peuvent être observées dans les feuilles des plantes, les coquilles des animaux et même dans la double hélice de notre ADN. Dans la plupart des cas, ces spirales se rapportent à la séquence de Fibonacci - un ensemble de nombres où chacun est la somme des deux nombres qui le précèdent (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 et ainsi de suite).
Ces motifs sont particulièrement répandus chez les plantes et peuvent même être reconnus à l'œil nu. Si vous prenez une pomme de pin et regardez la base, vous pouvez voir les écailles ligneuses former des spirales qui convergent vers le point d'attache avec la branche.
Au début, vous ne pouvez repérer les spirales que dans une seule direction. Mais regardez attentivement et vous pouvez voir des spirales dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Comptez maintenant le nombre de spirales dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, et dans presque tous les cas, le nombre de spirales sera un nombre entier dans la séquence de Fibonacci.
La même couleur de pomme de pin codée pour montrer 8 spirales dans le sens des aiguilles d'une montre et 13 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. 8 et 13 sont des nombres consécutifs dans la suite de Fibonacci. Sandy Hetherington, Auteur fourni
Ce cas particulier n'est pas un cas exceptionnel. Dans un étude qui a analysé 6,000 97 pommes de pin, des spirales de Fibonacci ont été trouvées dans XNUMX % des cônes examinés.
Les spirales de Fibonacci ne se trouvent pas seulement dans les pommes de pin. Ils sont communs dans d'autres organes végétaux tels que les feuilles et les fleurs.
Si vous regardez l'extrémité d'une pousse feuillue, comme celle d'un arbre à puzzle, vous pouvez voir que les feuilles sont disposées en spirales qui commencent à l'extrémité et s'enroulent progressivement autour de la tige. UN étude de 12,000 650 spirales de plus de 90 espèces végétales ont révélé que les spirales de Fibonacci se produisent dans plus de XNUMX % des cas.
En raison de leur fréquence dans les espèces végétales vivantes, on a longtemps pensé que les spirales de Fibonacci étaient anciennes et hautement conservées dans toutes les plantes. Nous avons entrepris de tester cette hypothèse avec une enquête sur les premiers fossiles de plantes.
Exemples de plantes vivantes avec des spirales de Fibonacci. De gauche à droite : des spirales dans des feuilles d'arbres de puzzle de singe, une pomme de pin et dans la fleur d'une marguerite de bord de mer. Sandy Hetherington, Auteur fourni
Spirales non-Fibonacci dans les premières plantes
Nous avons examiné la disposition des feuilles et des structures de reproduction dans le premier groupe de plantes connues pour avoir développé des feuilles, appelées lycopodes.
Plus précisément, nous avons étudié les fossiles de plantes de l'espèce éteinte de clubmoss Astéroxylon mackiei. Les fossiles que nous avons étudiés sont maintenant conservés dans des collections de musées au Royaume-Uni et en Allemagne, mais ont été initialement collectés dans le Rhynie chert – un site fossilifère dans le nord de l'Ecosse.
Nous avons pris des images de fines tranches de fossiles, puis utilisé des techniques de reconstruction numérique pour visualiser l'arrangement des Asteroxylon mackiei feuilles en 3D et quantifier les spirales.
Sur la base de cette analyse, nous avons découvert que la disposition des feuilles était très variable dans Astéroxylon mackiei. En fait, les spirales non-Fibonacci étaient l'arrangement le plus courant. La découverte de spirales non-Fibonacci dans un fossile aussi ancien est surprenante car elles sont très rares chez les espèces végétales vivantes aujourd'hui.
Reconstruction de la vie du fossile Asteroxylon mackiei. Matt Humpage/Northern Rogue Studios, CC BY-NC-ND
Histoire évolutive distincte
Ces découvertes changent notre compréhension des spirales de Fibonacci dans les plantes terrestres. Ils suggèrent que les spirales non-Fibonacci étaient anciennes dans les lycopodes, renversant l'opinion selon laquelle toutes les plantes feuillues ont commencé à faire pousser des feuilles qui suivaient le modèle de Fibonacci.
En outre, cela suggère que l'évolution des feuilles et les spirales de Fibonacci chez les lycopodes ont eu une histoire évolutive distincte des autres groupes de plantes vivantes aujourd'hui, telles que les fougères, les conifères et les plantes à fleurs. Cela suggère que les spirales de Fibonacci sont apparues séparément plusieurs fois au cours de l'évolution de la plante.
Le travail ajoute également une autre pièce au puzzle d'une question évolutive majeure - pourquoi les spirales de Fibonacci sont-elles si courantes dans les plantes aujourd'hui ?
Cette question continue de susciter des débats parmi les scientifiques. Diverses hypothèses ont été proposées, notamment celle de maximiser la quantité de lumière que chaque feuille reçoit ou à emballer efficacement les graines. Mais nos découvertes mettent en évidence la façon dont les informations provenant de fossiles et de plantes comme les lycopodes peuvent fournir des indices vitaux pour trouver une réponse.
A propos de l'auteur
Sandy Hetherington, biologiste de l'évolution des plantes, L'Université d'Edimbourg ainsi que Holly-Anne Turner, Doctorante, Paléobotanique, Université College Cork
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.
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