Hoá thạch 400 triệu năm làm thay đổi suy nghĩ về xoắn ốc Fibonacci

Hóa thạch thực vật từ hơn 400 triệu năm trước có cấu trúc không theo quy luật nào, không giống đa số thực vật hiện nay tuân theo đường xoắn ốc Fibonacci.

Cách sắp xếp lá trên cành cây, kết cấu quả dứa, cánh hoa hướng dương hoặc vảy quả thông là những ví dụ tuyệt vời về các mô hình toán học trong tự nhiên. Một đặc điểm chung ở đa số loài thực vật hiện nay là chúng có kết cấu hình xoắn ốc, tuân theo dãy số Fibonacci.

Những đường xoắn ốc này - được gọi đơn giản là xoắn ốc Fibonacci - rất phổ biến ở thực vật và đã mê hoặc các nhà khoa học nổi tiếng, từ đến .

Sự phổ biến của xoắn ốc Fibonacci ở thực vật ngày nay được xem là đại diện cho đặc điểm cổ xưa và có tính bảo tồn cao, xuất hiện từ giai đoạn đầu tiên của quá trình tiến hóa thực vật đến thời kỳ hiện đại.

Tuy nhiên, phát hiện mới của nhà sinh vật học Sandy Hetherington đến từ Đại học Edinburgh và nhà cổ thực vật học, nghiên cứu sinh tiến sĩ Holly-Anne Turner tại University College Cork có thể đảo lộn nhận định đó.

Nhóm nhà khoa học kiểm tra các vòng xoắn trên lá và cấu trúc sinh sản của một loài thực vật hóa thạch có niên đại 407 triệu năm. Họ ngạc nhiên khi phát hiện tất cả đường xoắn ốc quan sát được ở loài đặc biệt này không tuân theo cùng một quy luật. Ngày nay, có rất ít thực vật không tuân theo hình .

Xoắn ốc Fibonacci là gì?

Xoắn ốc xuất hiện phổ biến trong tự nhiên, có thể nhìn thấy ở lá cây, vỏ động vật, thậm chí trong chuỗi xoắn kép của DNA con người. Trong hầu hết trường hợp, các vòng xoắn ốc liên quan đến dãy Fibonacci - một dãy số trong đó mỗi số là tổng của 2 số đứng liền trước nó (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21…).

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

Một hình ảnh quả thông được số hóa, phủ màu để xác định 8 xoắn ốc Fibonacci cùng chiều kim đồng hồ và 13 xoắn ốc Fibonacci ngược chiều kim đồng hồ. (Ảnh: Sandy Hetherington).

Thoạt nhìn, bạn sẽ phát hiện các hình xoắn ốc theo một hướng. Nhưng nhìn kỹ, bạn có thể thấy cả hình xoắn ốc theo 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, đa trường hợp số vòng xoắn sẽ là số nguyên trong dãy Fibonacci.

Đây không phải là một trường hợp ngoại lệ. Theo một nghiên cứu phân tích 6.000 quả thông, 97% có đường xoắn ốc Fibonacci. Ngoài ra, cấu trúc này còn phổ biến ở các cơ quan khác của cây như lá, hoa.

Nếu nhìn vào phần ngọn cây, chẳng hạn như chồi của cây bách tán (Araucaria araucana), 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 Fibonacci có mặt trong hơn 90% trường hợp.

Dựa vào tần suất xuất hiện trong các loài thực vật còn sống, từ lâu người ta đã cho rằng xoắn ốc Fibonacci là đặc điểm cổ xưa và có tính bảo tồn cao trong tất cả loài thực vật.

Xoắn ốc phi Fibonacci ở thực vật nguyên thủy

Để kiểm chứng giả thuyết này, các nhà khoa học nghiên cứu sự sắp xếp của lá và cấu trúc sinh sản trong nhóm thực vật cổ xưa có họ hàng với loài rêu thuộc họ thông đất (lycopodiopsida) ngày nay.

Cụ thể, Sandy Hetherington và Holly-Anne Turner nghiên cứu hóa thạch của loài thực vật Asteroxylon mackiei đã tuyệt chủng. Các hóa thạch được lưu giữ trong bộ sưu tập bảo tàng ở Anh và Đức. Ban đầu, chúng được thu thập từ Rhynie chert – một mỏ trầm tích cổ xưa nằm ở phía bắc Scotland.

Holly-Anne Turner, tác giả chính của nghiên cứu, tạo ra các mô hình 3D kỹ thuật số của Asteroxylon mackiei tại Đại học Edinburgh. (Ảnh: Luisa-Marie Dickenmann).

Các nhà khoa học chụp ảnh các lát hóa thạch mỏng, sau đó sử dụng kỹ thuật tái tạo kỹ thuật số để trực quan hóa sự sắp xếp của lá Asteroxylon mackiei dưới dạng 3D và xác định vòng xoắn.

Dựa trên phân tích này, các tác giả phát hiện ra rằng sự sắp xếp lá ở Asteroxylon mackiei rất khác nhau. Trên thực tế, các đường xoắn ốc phi Fibonacci là cách sắp xếp phổ biến nhất.

Việc phát hiện ra các đường xoắn ốc không phải Fibonacci trong một hóa thạch cổ xưa như vậy là điều đáng ngạc nhiên vì chúng rất hiếm gặp ở đa số loài thực vật sống ngày nay.

Lịch sử tiến hóa khác biệt

Những phát hiện này thay đổi hiểu biết của chúng ta về xoắn ốc Fibonacci ở thực vật trên cạn. Nó chứng tỏ xoắn ốc không phải Fibonacci đã có từ xa xưa ở thông đất, đảo ngược quan điểm cho rằng tất cả loài thực vật có lá đều bắt đầu mọc lá theo mô hình Fibonacci.

Một hình ảnh phục dựng từ hóa thạch của Asteroxylon mackiei. (Ảnh: Hetherington).

Hơn nữa, phát hiện mới cho thấy sự tiến hóa của lá và cấu trúc xoắn ốc Fibonacci ở thông đất có một lịch sử khác biệt với các nhóm thực vật sống khác ngày nay, chẳng hạn như dương xỉ, cây lá kim và thực vật có hoa. Nó gợi ý rằng các xoắn ốc Fibonacci xuất hiện nhiều lần, 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 cấu trúc xoắn ốc Fibonacci lại phổ biến ở thực vật ngày nay?

Câu hỏi này tiếp tục tạo ra cuộc tranh luận giữa các nhà khoa học. Nhiều giả thuyết khác nhau đã được đề xuất, bao gồm việc tối đa hóa lượng ánh sáng mà mỗi chiếc lá nhận được hoặc để đóng gói hạt giống một cách hiệu quả.

Phát hiện của Sandy Hetherington và Holly-Anne Turner mở ra thêm những hiểu biết về hóa thạch, đồng thời chứng tỏ thực vật như rêu có thể cung cấp manh mối quan trọng trong việc tìm ra câu trả lời.