一朵花背后的数学法则，造就了95%的光合奇迹

如果你仔细看过向日葵的花盘或雏菊的花瓣，就会发现一个奇怪的规律：向日葵花盘上的小籽和雏菊的花瓣并不是随意排列的，而是沿着一圈圈弯曲的螺旋线生长。更神奇的是，这些螺旋线的数量往往是8、13、21或34条——这些数字看似偶然，但其实属于同一个严谨的数学序列：斐波那契数列。斐波那契数列不仅藏在花朵里，还出现在大自然的各个角落：松果的鳞片、鹦鹉螺的贝壳形态，甚至是银河系的悬臂和台风的云带都是斐波那契数列的形态。

自然界中的斐波那契螺旋：小雏菊、大丽花、星系、台风

（图片来源：learning-mind）

不过，最近我们团队（中国科学院植物研究所）有了新发现：斐波那契不仅出现在我们肉眼可见的宏观世界，还悄悄写进了微观生物的身体结构内。在显微镜下，我们团队观察到一种叫颗石藻（Coccolithophores）的海洋浮游植物，在其进行光合作用的叶绿体光合膜蛋白上也存在斐波那契数列，而这一神奇的设计，竟然帮助它把光能转化效率提升到惊人的95%。

颗石藻PSI-FCPI超复合物封面（A）与颗石藻光合膜蛋白的斐波那契螺旋排列（B）

（图片来源：中国科学院植物研究所）

斐波那契数列背后的数学密码

斐波那契数列是一个非常简单却充满魔力的数列，其每一项都等于前两项之和（Fₙ = Fₙ₋₁ + Fₙ₋₂），从0和1开始，0、1、1、2、3、5、8、13、21、34……看似普通的数列，却广泛存在于自然界。

为什么会这样？因为这种排列方式往往能带来最高的效率。

举个例子：一棵向日葵要在花盘上尽可能多地排列种子，如果排得太密，种子会互相挤压；如果排得太疏，又浪费了空间。经过进化，大自然选择了斐波那契螺旋排列，让种子之间的间距最均匀，既不拥挤也不浪费空间。

同样的规律，也出现在松果的鳞片、菠萝的外皮，甚至是贝壳的生长曲线中。我们把这种按斐波那契规律展开的螺旋叫做黄金螺旋。它不仅高效，还因为在视觉上，由一系列按斐波那契数列递增的正方形和内切圆弧构成，符合黄金分割比例而显得和谐流畅。

鹦鹉螺壳和斐波那契螺旋线

（图片来源：中国科学院植物研究所）

科学家认为，这种规律之所以如此普遍，是因为在进化中，遵循斐波那契螺旋的生物能更好地利用光、空气和生长空间，因而在生存竞争中更容易胜出。换句话说，斐波那契螺旋是进化的结果。

颗石藻上的微型斐波那契数列

这一成功的进化就在颗石藻中展现的淋漓尽致。

颗石藻是一种生活在海洋中的浮游生物，它们个头极其微小，单个细胞直径只有几微米，用肉眼完全看不到。它们最特别的地方，在于它们会在细胞外用碳酸钙结晶堆砌出一片片小鳞片，然后像瓦片一样拼成外壳。这些鳞片被称作“颗石”（ Coccolith），因此得名颗石藻。

颗石藻

（图片来源：Pixabay）

别看它们个体渺小，历史地位却很重要。早在白垩纪，颗石藻就已经在海洋中大量繁盛，并且通过光合作用不断把二氧化碳固定下来，同时沉积下厚厚的碳酸钙外壳。这些碳酸钙外壳沉淀下来后就行了白色的岩层——地质学上将其称为白垩，因此换句话说，白垩纪其实就是因颗石藻而得名的。

今天，颗石藻依然是全球海洋中数量庞大的浮游植物，既是海洋食物链的基础，也在全球碳循环中扮演着不可或缺的角色。它们一边进行光合作用吸收二氧化碳，一边把碳固定为其细胞内的有机物和碳酸钙外形式的外壳，最终沉入深海，成为地球上天然的“双重”碳存储库。

在最新的研究中，我们团队使用冷冻电镜技术解析了颗石藻的一种特殊光合作用复合体——光系统 I（Photosystem I, PSI）。它在光合作用中负责把捕获到的光能转化为电子能量，为细胞后续的二氧化碳固定提供动力。

在颗石藻叶绿体膜上约30纳米的微观空间中，这个光系统 I 并不是孤零零工作的，而是被 38 个捕光天线蛋白围绕，就像一圈天线一样不断收集外部的光子，并把能量源源不断传递进核心。研究发现，这 38 个天线分成8 条带状簇，像花瓣一样环绕在中心。数字 8 恰好是斐波那契数列中的一个成员，这种几何排列方式或许正是颗石藻在进化中找到的最佳方案。

颗石藻PSI外的捕光天线条带，箭头标示出了主要的能量传递途径

（图片来源：参考文献1）

更令人惊讶的是，我们团队还发现，这套庞大的光合作用机器内部包含了819 个色素分子，包括叶绿素 a、叶绿素 c 以及岩藻黄素（fucoxanthin）等。不同色素能吸收不同波段的光线，这让颗石藻在海水中也能高效捕获蓝绿光和绿光——这些是海水中最不容易被完全削弱的光波段。

研究结果则表明，这个超复合体在光能捕获和能量传递环节的量子效率高达 95%。换句话说，在 100 个光子进入这套系统后，有 95 个的能量能被顺利传递到反应中心并转化为电子。颗石藻的光系统 I的这一转化效率水平，远高于许多陆地植物的同类系统。

颗石藻利用PSI周围斐波那契式几何排列的带状天线和不同类型的色素分子共同协作，使其PSI转化太阳能的效率高达95%

（图片来源：参考文献1）

为什么颗石藻能做到这一点？我们推测，斐波那契式的几何排列在其中起到了关键作用。8条带状天线簇环绕在核心周围，就像整齐排布的接力队伍，让能量在复杂的分子网络里快速而有序地传递，避免了混乱和浪费。与此同时，不同类型的色素分子共同协作，让它们能够利用海水中仍能穿透的蓝绿光，从而适应多变的海洋环境。进一步研究其中蕴藏的生物力学和物理学规律，有望揭示这一微观世界的 “黄金螺旋”奥秘。

从进化角度看，颗石藻能从白垩纪繁盛至今，并在全球碳循环中占据一席之地，可能正是依靠了这套高效的光合作用机器。人类或许也能从中得到启示，在未来的能源利用与可持续发展中寻找新的灵感。

参考文献：

[1] Lili Shenet 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：科普中国

作者：王文达 任菲 申丽丽（中国科学院植物研究所）

监制：中国科普博览