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生物与黄金分割

1995 年第 3 期 · 知识窗 ·
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  将一条线段分为两部分,使两部分比值为2分之根号5-1(=0.618),这种分法称为“黄金分割”,这个分割点称为“黄金(分割)点”,0.618称为“黄金数”。它最先是由古希腊毕达哥拉斯学派发现的。   人与黄金分割   中世纪意大利数学家菲波那契(以下称“菲氏”)调查了大量人体数值后获知,人体肚脐以下长度与身高之比接近0.618,其中少数人的这个比值等于0.618,被视为“标准美人”。因此,在人体绘画、美术、雕塑等方面,都以这一比例为标准,以使作品最佳。如古希腊神话中的太阳神阿波罗的形象,女神维纳斯的塑像,分别代表男女健美体型,并完全符合黄金分割。人体肚脐不但是身高的黄金点,还是医疗效果的黄金点。曾给慈禧太后治病的“一枝刘”的后代,就用中草药制成“肚兜”以治疗许多疾病。类似的治疗方法在民间也不鲜见。许多名医也是在肚脐贴药来治疗某些疾病的。   人体还有几个黄金点。肚脐以上部分的黄金点在咽喉,肚脐以下部分的黄金点在膝关节,上肢部分的黄金点在肘关节。   人体最感舒适的温度约23℃(气温),也是正常体温37℃的黄金点(23=37×0.618)。   人们发现,精神愉快时,人脑电波频率下限(8赫兹)与上限(12.9赫兹)之比,恰为黄金数。如这时参加考试或竞技,更能发挥出水平。黄金矩形(宽长之比为0.618的矩形)看起来最舒服(这已为许我造型所采用),实际情况或许与此有关。   黄金分割与动物   菲氏曾研究过“一对兔子每月可生一对小兔,而一对小兔生下一月后便有生殖力,问一年后共可繁殖多少对小兔”这一问题,曾得到1、2、3、……12月后的小兔分别为1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144、233、377对,这377对即为一年后小兔的对数。前述数列(还可接着写,未写完)称为菲氏数列,又称F数列。可以看出,每相邻两项之比,越向后越接近0.168,当项数无限增加时,相邻两项之比则为黄金数。在前述黄金矩形内靠着三边做一正方形,则剩下的那部分又是一个黄金矩形,可依次再做正方形。把这些正方形中心按顺序联结,可得一条“黄金螺线”。海洋鹦鹉螺身上,一些动物角质体上,有甲壳的软体动物身上,都发现了“黄金螺线”。   黄金分割与植物   著名的“鲁德维格定律”实际上是前述F数列在植物学中的应用,与黄金分割有关。数学家泽林斯基在一次国际数学会上指出,树的年分枝数目就是F数列,即枝数的增长遵循前述小兔增长的规律。   英国T·W·汤姆森爵士指出,如果一棵树始终保持幼时长高和长粗的比例,那它终将会因自己的“细高个子”而翻倒;因此它选择了长高和长粗的最佳比例:0.618。有人研究过禾本植物(如小麦、水稻)的茎节,可看到其相邻两节之比为1:1.618或1:2.472(依品种不同而异)。   蕨类植物的琴状梢头,其螺线为前述“黄金螺线”。向日葵不但葵盘上有一左一右的黄金螺线,而且每朵小花或果花上也有两条黄金螺线;更奇异的是,每套螺线总数都符合F数列:如有21条左旋,则必有13条右旋,其总数必为34条。事实上,任何菊科植物的花盘都有与向日葵盘一样的特点。此外,向日葵的外缘花瓣分为55和89瓣两种不同形态,这两个数值也正好是F数列中的相邻两数。   事实上,菲氏当年的研究已经表明,许多植物的叶片、花瓣、果粒数与F数列相吻合。例如,沿螺旋前伸的树叶分布、松果上的鳞片分布都与F数列有关。一位学者数过一朵“米切尔马斯花”,它刚好157瓣,其中13瓣与另外144瓣相比,特别长且弯曲向内,他认为157为F数列中的13+144合成。菲氏也数过一朵月季花,为21瓣,恰是F数列中的项。达尔文数过的波斯菊正好144瓣,其中55瓣和89瓣在形态上有明显差异:一种长丝卷曲向内,一种平展舒放向外;这三数也正好在F数列中。   许多植物萌生的叶片、枝杈或瓣都按黄金分割的角度伸展:从上往下看时,它们把水平面360°角分为约222.5°和137.5°。(360×0.168=225)。即任意两相邻叶片(枝头或花瓣)都沿这两个角度伸展;这样,它们虽不断轮生,却互不重叠,有利于光合作用。例如蓟草和一些蔬菜的叶片,以及梨树枝、玫瑰花瓣等就是如此。以致有人将此戏称为“生仿”(生物仿人类智慧做黄金分割),这不能不说是生物进化的结果。有的建筑学家还按车前草叶子的排列设计螺旋状大厦,以使每个房间得到充足的阳光照射。
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