斐波那契不僅出現(xiàn)在我們肉眼可見的宏觀世界，還悄悄寫進了微觀生物的身體結構內。

撰文 | 王文達、任菲、申麗麗（中國科學院植物研究所）

如果你仔細看過向日葵的花盤或雛菊的花瓣，就會發(fā)現(xiàn)一個奇怪的規(guī)律：向日葵花盤上的小籽和雛菊的花瓣并不是隨意排列的，而是沿著一圈圈彎曲的螺旋線生長。更神奇的是，這些螺旋線的數量往往是8、13、21或34條——這些數字看似偶然，但其實屬于同一個嚴謹的數學序列：斐波那契數列。斐波那契數列不僅藏在花朵里，還出現(xiàn)在大自然的各個角落：松果的鱗片、鸚鵡螺的貝殼形態(tài)，甚至是銀河系的懸臂和臺風的云帶都是斐波那契數列的形態(tài)。

自然界中的斐波那契螺旋：小雛菊、大麗花、星系、臺風（圖片來源：learning-mind）

不過，最近我們團隊（中國科學院植物研究所）有了新發(fā)現(xiàn)：斐波那契不僅出現(xiàn)在我們肉眼可見的宏觀世界，還悄悄寫進了微觀生物的身體結構內。在顯微鏡下，我們團隊觀察到一種叫顆石藻（Coccolithophores）的海洋浮游植物，在其進行光合作用的葉綠體光合膜蛋白上也存在斐波那契數列，而這一神奇的設計，竟然幫助它把光能轉化效率提升到驚人的95%。

顆石藻PSI-FCPI超復合物封面（A）與顆石藻光合膜蛋白的斐波那契螺旋排列（B）（圖片來源：中國科學院植物研究所）

斐波那契數列背后的數學密碼

為什么會這樣？因為這種排列方式往往能帶來最高的效率。

舉個例子：一棵向日葵要在花盤上盡可能多地排列種子，如果排得太密，種子會互相擠壓；如果排得太疏，又浪費了空間。經過進化，大自然選擇了斐波那契螺旋排列，讓種子之間的間距最均勻，既不擁擠也不浪費空間。

同樣的規(guī)律，也出現(xiàn)在松果的鱗片、菠蘿的外皮，甚至是貝殼的生長曲線中。我們把這種按斐波那契規(guī)律展開的螺旋叫做黃金螺旋。它不僅高效，還因為在視覺上，由一系列按斐波那契數列遞增的正方形和內切圓弧構成，符合黃金分割比例而顯得和諧流暢。

鸚鵡螺殼和斐波那契螺旋線（圖片來源：中國科學院植物研究所）

科學家認為，這種規(guī)律之所以如此普遍，是因為在進化中，遵循斐波那契螺旋的生物能更好地利用光、空氣和生長空間，因而在生存競爭中更容易勝出。換句話說，斐波那契螺旋是進化的結果。

顆石藻上的微型斐波那契數列

這一成功的進化就在顆石藻中展現(xiàn)的淋漓盡致。

顆石藻是一種生活在海洋中的浮游生物，它們個頭極其微小，單個細胞直徑只有幾微米，用肉眼完全看不到。它們最特別的地方，在于它們會在細胞外用碳酸鈣結晶堆砌出一片片小鱗片，然后像瓦片一樣拼成外殼。這些鱗片被稱作“顆石”（ Coccolith），因此得名顆石藻。

顆石藻（圖片來源：Pixabay）

別看它們個體渺小，歷史地位卻很重要。早在白堊紀，顆石藻就已經在海洋中大量繁盛，并且通過光合作用不斷把二氧化碳固定下來，同時沉積下厚厚的碳酸鈣外殼。這些碳酸鈣外殼沉淀下來后就行了白色的巖層——地質學上將其稱為白堊，因此換句話說，白堊紀其實就是因顆石藻而得名的。

今天，顆石藻依然是全球海洋中數量龐大的浮游植物，既是海洋食物鏈的基礎，也在全球碳循環(huán)中扮演著不可或缺的角色。它們一邊進行光合作用吸收二氧化碳，一邊把碳固定為其細胞內的有機物和碳酸鈣外形式的外殼，最終沉入深海，成為地球上天然的“雙重”碳存儲庫。

在最新的研究中，我們團隊使用冷凍電鏡技術解析了顆石藻的一種特殊光合作用復合體——光系統(tǒng) I（Photosystem I, PSI）。它在光合作用中負責把捕獲到的光能轉化為電子能量，為細胞后續(xù)的二氧化碳固定提供動力。

在顆石藻葉綠體膜上約30納米的微觀空間中，這個光系統(tǒng)I 并不是孤零零工作的，而是被 38 個捕光天線蛋白圍繞，就像一圈天線一樣不斷收集外部的光子，并把能量源源不斷傳遞進核心。研究發(fā)現(xiàn)，這38 個天線分成8 條帶狀簇，像花瓣一樣環(huán)繞在中心。數字8 恰好是斐波那契數列中的一個成員，這種幾何排列方式或許正是顆石藻在進化中找到的最佳方案。

顆石藻PSI外的捕光天線條帶，箭頭標示出了主要的能量傳遞途徑（圖片來源：參考文獻1)

更令人驚訝的是，我們團隊還發(fā)現(xiàn)，這套龐大的光合作用機器內部包含了819 個色素分子，包括葉綠素a、葉綠素 c 以及巖藻黃素（fucoxanthin）等。不同色素能吸收不同波段的光線，這讓顆石藻在海水中也能高效捕獲藍綠光和綠光——這些是海水中最不容易被完全削弱的光波段。

研究結果則表明，這個超復合體在光能捕獲和能量傳遞環(huán)節(jié)的量子效率高達95%。換句話說，在100 個光子進入這套系統(tǒng)后，有 95 個的能量能被順利傳遞到反應中心并轉化為電子。顆石藻的光系統(tǒng) I的這一轉化效率水平，遠高于許多陸地植物的同類系統(tǒng)。

顆石藻利用PSI周圍斐波那契式幾何排列的帶狀天線和不同類型的色素分子共同協(xié)作，使其PSI轉化太陽能的效率高達95%（圖片來源：參考文獻1）

為什么顆石藻能做到這一點？我們推測，斐波那契式的幾何排列在其中起到了關鍵作用。8條帶狀天線簇環(huán)繞在核心周圍，就像整齊排布的接力隊伍，讓能量在復雜的分子網絡里快速而有序地傳遞，避免了混亂和浪費。與此同時，不同類型的色素分子共同協(xié)作，讓它們能夠利用海水中仍能穿透的藍綠光，從而適應多變的海洋環(huán)境。進一步研究其中蘊藏的生物力學和物理學規(guī)律，有望揭示這一微觀世界的 “黃金螺旋”奧秘。

從進化角度看，顆石藻能從白堊紀繁盛至今，并在全球碳循環(huán)中占據一席之地，可能正是依靠了這套高效的光合作用機器。人類或許也能從中得到啟示，在未來的能源利用與可持續(xù)發(fā)展中尋找新的靈感。

參考文獻

[1] Lili Shen et al. Structure and function of a huge photosystem I–fucoxanthin chlorophyll supercomplex from a coccolithophore. Science389, eadv2132(2025). DOI:10.1126/science.adv2132

出品：科普中國
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