人們經常在隨機的地方看到熟悉的形狀。也許你抬頭望著雲彩，想著一艘帆船、一匹海馬，甚至是你的姑姑羅斯瑪麗正在回望著你。科學家將這種在隨機性中尋找有意義的模式的傾向稱為「apophenia」。但在某些情況下，這些模式是相當真實的。冷泉港實驗室副教授 Saket Navlakha 研究自然界中可見的隱藏結構。
規則圖案最著名的例子之一是沃羅諾伊圖，這是將空間劃分為圍繞中心點的離散區域的幾何系統。一個簡單的例子是學區。每個區域（區域）的佈置都使學生始終最接近他們指定的學校（中心點）。
「Voronoi 圖已經在從城市規劃到網路設計的各種應用中使用了幾個世紀，」Navlakha 說。
自然界中經常可以看到類似沃羅諾伊圖的圖案，包括長頸鹿身上的標記。然而，這些自然版本通常不包含教科書範例中明顯的中心點。 Navlakha 和前研究生 Cici Cheng 最近在 Pilea peperomioides（被稱為中國金錢植物）中發現了一種罕見的例外。
中國貨幣工廠揭示秘密數學模式
金錢樹是一種多年生植物，原產於中國雲南省和四川省。它也是一種受歡迎的室內植物，經常作為禮物。它的圓形葉子含有可見的孔隙，稱為水囊，周圍環繞著循環的靜脈網絡，可將水分和養分輸送到整個葉子。
在仔細繪製毛孔和靜脈後，納夫拉卡和鄭發現葉子結構自然形成了沃羅諾伊圖案。
為了更了解這種模式是如何發展的，研究人員與普熱米斯瓦夫·普魯辛凱維奇（Przemysław Prusinkiewicz）合作，普熱米斯瓦夫·普魯辛凱維奇是一位因在植物維管形成方面的研究而享譽國際的科學家。他們共同確定了負責在葉子孔隙周圍創建環形靜脈的「自然演算法」。
「就像人類需要解決問題才能生存一樣，其他生物體也是如此，」現為艾倫研究所博士後研究員的鄭說。 “但與人類不同的是，植物無法明確地測量距離！相反，它們依靠局部生物相互作用來實現相同的沃羅諾伊解決方案。”
自然界中隱藏的演算法
這項發現強調了生物體如何在沒有意識規劃或測量的情況下形成高度組織的系統。
「我們認為這些演算法本質上是對生物體行為的解釋，也是試圖理解世界的一種方式，」納夫拉卡說。 “這個例子是經典幾何學、現代植物生物學和計算機科學的完美結合。”
普魯辛凱維奇說，這些發現可能最終解答有關葉脈形成的長期科學謎團。
「值得注意的是，植物形態和圖案的另一個方面也被證明是如此數學化，」普魯辛凱維奇補充道。 「幾十年來，網狀靜脈是如何形成的問題一直沒有得到解答，我們終於在中國金錢植物的沃羅諾伊模型中得到了一個合理的答案。”
納夫拉卡和鄭希望這些模型的未來研究將揭示更多關於植物如何解決複雜的生物挑戰的資訊。他們相信這項工作最終可以幫助科學家更好地理解塑造演化、發展和生命本身的數學原理。
