自然界的新定律

糖獸

你有沒有想過這樣一個問題：在自然界中，牙齒、觸角、爪子、喙、動物外殼，甚至是植物的棘刺和刺毛，是如何形成尖銳的結(jié)構(gòu)的？這是一個已經(jīng)存在了350年之久的謎題。

自然界中有很多常見的模式，例如遵循黃金比例的對數(shù)螺旋就是其中之一。這些模式實則與生物的生長規(guī)則有關，比如對數(shù)螺旋結(jié)構(gòu)之所以常見，就是因為生成這種結(jié)構(gòu)的過程非常簡單——當一個螺旋在某一邊比另一邊增長得快時，就會產(chǎn)生對數(shù)螺旋結(jié)構(gòu)。

1659年，英國解剖學家、物理學家、數(shù)學家、建筑師克里斯多佛·雷恩爵士首次提出，蝸牛殼可能是一個繞著對數(shù)螺旋旋轉(zhuǎn)的圓錐?，F(xiàn)在我們知道，如貝殼、牙齒、角等形狀，都遵循一種被稱為“冪錐”的形狀。

在雷恩的想法之上，一個醉心于揭示自然界中更多模式的跨學科研究團隊，通過分析尖銳結(jié)構(gòu)的相似之處，發(fā)現(xiàn)它們的生長過程其實是由一個簡單的數(shù)學模式控制的。他們將這條關于生物生長的新規(guī)則發(fā)表在了《BMC 生物學》雜志上。

多年來，研究人員一直在尋找牙齒生長的規(guī)律。這次，他們通過觀察數(shù)百顆鯊魚、雷克斯霸王龍、猛犸象和人類的牙齒，測量它們?nèi)绾巫冮L變寬，由此找到了一個可用于描述牙齒形狀的簡單數(shù)學公式。

這個簡單公式是一個“冪律”，它意味著，當我們對牙齒的寬度和長度取對數(shù)時，牙齒的寬度和長度呈線性關系。研究人員將這個新的冪律命名為“冪級聯(lián)”，它描述了牙齒的表面是如何沿著特定的模式發(fā)展的。

雖然新研究所分析的是動物的牙齒，但他們發(fā)現(xiàn)，這條規(guī)則也同樣適用于爪子、蹄、角、蜘蛛的尖牙、蝸牛的殼、鹿角，以及哺乳動物、鳥類和恐龍的喙。他們甚至在墨爾本博物館展出的三角龍骨骼的角上也看到了這樣的規(guī)律。

為何這些不同的結(jié)構(gòu)會擁有相似的形狀呢？也許是因為它們大多執(zhí)行著相同的任務。例如，鋒利的恐龍牙齒可以刺穿獵物的肉，鋒利的爪子也能如此;但研究人員注意到，一些不是為刺穿而設計的身體特征（如貝殼、指向背后的角）也表現(xiàn)出這種冪級聯(lián)模式。也就是說，這似乎是一種非常普遍的規(guī)則。那么，這條規(guī)則能被視為一種自然“定律”嗎？

過去的生物學家普遍會將一些強模式（包括對數(shù)螺旋）作為生物的生長定律。然而現(xiàn)如今，生物學家對使用“定律”等術(shù)語更加謹慎，因為當一個規(guī)律被稱為定律或法則時，則意味著它是牢不可破的。

在新研究中，研究人員證明了一些非常簡單的增長過程就可以產(chǎn)生冪級聯(lián)模式。當動物和植物以這種方式生長時，它們會不可避免地產(chǎn)生冪級聯(lián)形狀。而且這些過程所適用的動物器官種類繁多，能形成多種多樣的形狀。因此研究人員認為，將這條規(guī)則歸類為自然的定律是有充分理由的?；蛟S未來的研究能夠進一步證實這一點。

其實，在自然界中發(fā)現(xiàn)能“支配萬物”的規(guī)則是十分罕見的。研究人員認為，這一發(fā)現(xiàn)有助于科學家們預測包括人類在內(nèi)的動物，以及它們的許多身體構(gòu)造會如何進行演化的可能：它可以幫助生物學家思考可能的演化過程。動物的演化通常被認為包括很多“隨機”因素，這使得我們很難確切知道數(shù)千年后動物的樣子。

此外，知道這種冪級聯(lián)是一種普遍的生長定律，還可以幫助我們更好地想象那些來自奇幻故事的生物，它們的牙齒、角和爪的形狀，比如在《權(quán)力的游戲》和《哈利·波特》等影視作品中，那些神奇的動物就能被設計得更加逼真、準確。