"
Het zonnebloemmotief " , © Hans Bär, Amsterdam,
2004-2006
|
Laat ik beginnen met een korte
omschrijving van de Gulden Snede en de reeks van
Fibonacci,
dan vertel ik hoe deze twee begrippen tot uiting komen in
bepaalde vormen in de levende natuur.
Voor de liefhebber op het gebied van
de wiskunde wordt het zonnebloemmotief
nog wat uitgebreider en exacter beschreven op een aantal
afzonderlijke pagina's.
Zoals dan blijkt is dit motief volledig te beschrijven
m.b.v. de reeks van Fibonacci,
of incidenteel m.b.v. een reeks die daar sterk mee
verwant is, de reeks van Lucas.
Het is een erg boeiende en leerzame analyse, waar ik met
veel plezier aan heb gewerkt >>> .
Wil je dit verhaal over de structuur
van de zonnebloem graag een keer afdrukken of wordt
een en ander niet goed weergegeven, dan adviseer ik je om
hiervan eerst even een aangepaste
versie - inclusief een aantal extra pagina's - te
downloaden en op te slaan >>> .
|
~~~ >> "De Gulden Snede" << ~~~
De Gulden Snede is een opdeling van
een lijnstuk of oppervlak of cirkel in twee ongelijke
delen,
zodanig dat het kleinste deel zich verhoudt tot het
grootste deel als het grootste deel tot het geheel.
Een verhouding die ongeveer gelijk is aan 0,382 : 0,618 =
0,618 : 1 = 1 : 1,618 = 1,618 : 2,618 .
De Gulden Snede zie je in diverse structuren terug en was
al in de oudheid bekend ( Euclides, 300 v. Chr.)
Wiskundig gezien is het een begrip met hele
karakteristieke en bijzondere eigenschappen.
Een meer algemene benaming voor de Gulden Snede is ook
wel de "Proportio Divina" of
de "Sectio Aurea". |
~~~ >> "De Getallenreeks van
Fibonacci" << ~~~
De reeks van Fibonacci is hier heel
nauw mee verwant en is een verzameling van gehele
getallen,
waarvoor geldt, dat ieder getal in de reeks telkens de
som is van de twee voorafgaande getallen.
Het laatste geldt overigens óók voor de getallen
hierboven, die de verhouding van de Gulden Snede bepalen.
De reeks van Fibonacci begint met de waarden 0 en 1 en
hieruit volgen dan vanzelf de overige getallen:
0 , 1 , 1 , 2 , 3 , 5 , 8 , 13 , 21 , 34 , 55 , 89 , 144
.....
Een bijzonder kenmerk van deze reeks is, dat - naarmate
getallen groter worden -
opeenvolgende getallen zich meer en meer tot elkaar gaan
verhouden volgens de "Gulden Snede" !
Een ander interessant gegeven is, dat je élk getal uit
de reeks van Fibonacci kunt schrijven als een som
van twee dubbelprodukten van getallen uit diezelfde
reeks, een gegeven, dat in de beschrijving
van het zonnebloemmotief en vergelijkbare vormen een
bijzondere rol blijkt te spelen.
Dit determinatie-principe komt uitgebreid aan de orde in
de wiskundige analyse.
~~~ >> "De
Getallenreeks van Lucas" <<
~~~
Behalve de reeks van Fibonacci voldoet ook de reeks van
Lucas aan dezelfde eigenschap,
dat elk getal in de reeks steeds weer de som is van de
twee voorafgaande getallen.
Alleen begint déze reeks nu niet met de waarden 0 en 1,
maar met de waarden 2 en 1 .
Hieruit volgt dan voor de reeks van Lucas: -2 , 1 , 3 ,
4 , 7 , 11 , 18 , 29 , 47 , 76 , 123 .....
In de volksmond wordt de reeks van Fibonacci ook wel
omschreven als: "De Konijnenreeks " ,
wat Marjolein Kool heeft
geďnspireerd om daar een bijzonder gedichtje aan te
wijden >>> !
|
|
Zowel de "Gulden
Snede" als de "Reeks van
Fibonacci" en incidenteel ook de "Reeks
van Lucas"
zie je in heel veel vormen in de
natuur terug, en dat is allesbehalve toeval,
maar het directe gevolg van hoe cellen delen en groeien
en elkaar daarbij naar de periferie drukken.
Dat gebeurt op een zodanige wijze, dat deze cellen
daarbij tezamen zo min mogelijk ruimte innemen.
Het is een voortdurend proces van het zich steeds weer
opnieuw schikken van cellen t.o.v. elkaar,
en het krachtenspel tussen de cellen onderling bepaalt
hoe dat gebeurt en welke vorm daar dan
uiteindelijk uit voortkomt. Elke cel volgt daarbij de weg
van de minste weerstand, en dat wil zeggen,
dat dit hele proces van voortdurend herordenen gepaard
gaat met een minimum verlies aan energie.

Bekijk voor de aardigheid eens hoe de pitten in deze
zonnebloem keurig langs spiralen zijn geordend,
eigenlijk net zoals de ordening van schubben bij een
dennenappel rondom spiraalsgewijs verloopt.
En ook hoe bepaalde cactussoorten zijn opgebouwd uit
segmentjes, die ditzelfde patroon volgen.
Of hoe bladeren bij een aantal bloemen- en plantensoorten
steeds weer onder eenzelfde vaste en
karakteristieke hoek van ongeveer 137,5 graden t.o.v.
elkaar blijken te zijn verdraaid.
Een hoek die niet toevallig precies voldoet aan de Gulden
Snede ( het kleinste deel van 360 gr).
Een wel erg vaak terugkerend motief dus. Het is dan ook
de moeite waard om eens nader te bekijken
hoe dit motief tot stand komt, en wat maakt dat cellen
zich op deze karakteristieke wijze schikken.
Wat zo bijzonder is, is dat met een
dergelijke opeenvolgende schikking van bladeren (de
fyllotaxis)
de lichtopbrengst voor een plant
optimaal is, omdat bladeren steeds zodanig zijn gericht
dat ze
zo min mogelijk in elkaars schaduw liggen en het
invallende licht dan ook maximaal benutten.
 
© Andrew Ross, Cactus &
Succulents Society of New Zealand
|
Al deze vormen worden gekenmerkt
door eenzelfde en gemeenschappelijke ontstaanswijze.
Bovendien zie je bij een dennenappel en ook de ananas nog
een ander interessant verschijnsel:
Wanneer je namelijk vanaf een bepaald punt het aantal
schubben telt, in twee richtingen,
langs twee spiralen, de een linksom en de ander rechtsom,
totdat beide elkaar weer snijden,
dan zie je dat dit steeds twee opeenvolgende getallen
zijn uit de reeks van Fibonacci.
Dat is eigenlijk heel wonderlijk en ook allesbehalve
toeval, zoals ik hierna nog zal laten zien.
Het is een heel karakteristiek patroon, waarin cellen of
schubben zich spiraalsgewijs schikken en
ordenen. En het aardige is, dat je op grond van dit
gegeven een manier kunt beschrijven, waarmee je
afzonderlijke schubben en cellen kan nummeren. Elke
spiraal, linksom of rechtsom, wordt dan gekenmerkt
door een getal uit de reeks van Fibonacci, dat de
nummerafstand bepaalt voor opeenvolgende cellen,
die tezamen een dergelijke spiraal vormen. Deze nummers
hebben een hele concrete betekenis:
Ze bepalen de volgorde waarin cellen door deling zijn
ontstaan. Hoe hoger het celnummer,
hoe ouder dus een cel, en hoe verder deze cel in het
algemeen van de kern verwijderd ligt.
|
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
|
In al deze vormen, de dennenappel, de zonnebloem, is
telkens weer diezelfde structuur te herkennen.
Het is ongelooflijk mooi om te zien hoe een dergelijk
patroon zomaar, als vanzelf, lijkt te ontstaan.
Heel kenmerkend in al deze vormen -
met een spiraalstructuur gebaseerd op de reeks van
Fibonacci -
is, dat van de drie jongste cellen in de kern van een
grotere verzameling cellen de allerjongste cel
zodanig deelt, dat daarbij steeds de twee oudste cellen
van dit drietal uit elkaar worden gedrukt.
Echter zijn hier wel variaties op mogelijk, zoals je ziet
in een structuur waarin spiralen zijn gebaseerd
op de reeks van Lucas. In dat geval zie je dat de jongste
cellen (de primordia) zich dan
op een ietwat
andere wijze schikken, en dat heeft waarschijnlijk te
maken met de groeisnelheid van cellen in de kern.
Dit groeiproces in de kern wordt
zeer fraai weergegeven op een aparte pagina >>>> !
Naarmate cellen a.g.v. het groei- en
delingsproces geleidelijk aan steeds verder naar de
periferie
worden gedrukt gaan deze als vanzelf ketens vormen en
zich daarbij ordenen langs spiralen !
En dat gebeurt op een zodanige wijze, dat een zo klein
mogelijk oppervlak wordt ingenomen
en de omtrek geleidelijk aan cirkelvormig wordt. Dit laat
zich wiskundig redelijk goed beschrijven.
Als vanzelf ontstaat een patroon met die kenmerkende en
bijzonder fraaie spiraalvormige structuur.

|
Om te laten zien hoe dit nu precies in zijn werk gaat, ga
ik eerst eens uit van de dennenappel en de ananas
hierboven, want dan ontdek je al snel een aantal
karakteristieke eigenaardigheden in dit motief. Tel
namelijk
maar eens het aantal stappen linksom en rechtsom langs
twee spiralen tot je weer op eenzelfde punt uitkomt :
|
 |
Hiernaast
zijn twee van die spiralen getekend,
hier van cel A naar cel B, en zoals je dan ziet:
8 stappen linksom en 5 rechtsom, maar dat had
wellicht ook een andere combinatie kunnen zijn.
De nummering laat ik nu bewust als volgt
verlopen:
langs de ene spiraal linksom in 8 stappen van 5,
en langs de andere rechtsom in 5 stappen van 8.
Cel A grenst dan blijkbaar aan twee naburige
cellen,
waarmee het in nummering - en dus in leeftijd -
verschilt volgens twee opeenvolgende getallen
( in dit geval: 5 en 8 ) uit de reeks van
Fibonacci,
en dat is een erg interessant gegeven.
Als je dit plaatje goed bekijkt dan zie je
bovendien
dat daarmee ook het aantal spiralen in beide
draai-
richtingen vastligt. In dit voorbeeld kom je dan
uit
op 5 spiralen met nummerafstand 5 linksom en
8 spiralen met nummerafstand 8 rechtsom!
|
|
Van dit gegeven kun je overigens direct gebruik maken om
een stapelschema te definiëren voor cellen in
een raster, en dat is met name interessant wanneer cellen
in een dergelijk raster niet dezelfde afmeting
hebben. Dat levert soms hele verrassende plaatjes op. Het
principe hiervan is eigenlijk heel eenvoudig:
"Laat namelijk elke cel grenzen
aan een tweetal jongere cellen, zodanig dat de
nummerafstand
tot twee cellen telkens twee opeenvolgende getallen zijn
uit de reeks van Fibonacci.
Ga daarbij dan wél steeds uit van een zo groot mogelijk
nummerverschil, als je cellen
in oplopende nummervolgorde stapelt vanuit een gegeven
middelpunt."
Zie onderstaand schema voor een
voorbeeld hoe dit 'stapelen' precies in zijn werk gaat.
Wanneer je over Excel 2000 beschikt, dan vind je
ditzelfde schema nog wat fraaier
en uitgebreider weergegeven in het honingraat-bestand.
Neem in dit schema nu als voorbeeld eens cel 42, om te
laten zien je dit precies aanpakt.
De twee grootste getallen in de reeks van Fibonacci
kleiner dan of gelijk aan 42 zijn 34 en 21.
En dat betekent, dat cel 42 in principe
zou kunnen grenzen aan cellen (42-34) en (42-21),
dat zijn hier de cellen met nummers 8 en 21, maar die
plek is zoals je ziet al bezet door cel 29.
Neem daarom in plaats van de getallen 34 en 21 uit de
reeks van Fibonacci de getallen 21 en 13,
wat inhoudt dat cel 42 dan mogelijk grenst aan de
cellen met de nummers (42-21) en (42-13),
dat zijn nu dus de twee cellen 21 en 29, en zoals
je ziet is die plek hier wél vrij.
Zo doe je dat in oplopende volgorde voor elke cel. Al met
al een erg eenvoudig principe.
|
Voorbeeld van een stapelschema in
een honingraat gebaseerd op de reeks van Fibonacci
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
81
|
68
|
55
|
42
|
50
|
71
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
60
|
47
|
34
|
21
|
29
|
37
|
58
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
52
|
39
|
26
|
13
|
8
|
16
|
24
|
45
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
| |
|
|
65
|
31
|
18
|
5
|
0
|
3
|
11
|
32
|
53
|
|
|
| |
|
|
|
| |
|
78
|
44
|
23
|
10
|
2
|
1
|
6
|
19
|
40
|
74
|
|
| |
|
| |
|
|
57
|
36
|
15
|
7
|
4
|
9
|
14
|
27
|
61
|
|
|
| |
|
|
|
| |
|
|
|
49
|
28
|
20
|
12
|
17
|
22
|
35
|
48
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
62
|
41
|
33
|
25
|
30
|
43
|
56
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
75
|
54
|
46
|
38
|
51
|
64
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Voor cel 2 zijn er in dit schema in principe twee
keuzemogelijkheden, zoals je ziet.
Maar dat terzijde, dát heeft namelijk alleen gevolgen
voor de draairichting van spiralen.
Je vindt op deze wijze voor élke cel in ieder geval
precies één eigen specifieke plek,
En daaruit ontstaat dan vanzelf een raster zoals dat
hierboven is weergegeven,
ongeacht of cellen nu wél of niet even groot zijn, en
ongeacht of dat nu gebeurt
in een plat vlak of langs een gebogen/gekromd oppervlak
of cilindervormig oppervlak.
De mate waarin cellen groeien of krimpen, én de vorm van
het vlak, bepalen
uiteindelijk hoe het stapelschema er dan voor die
specifieke vorm uit zal zien.
A.g.v. de celdeling in de kern en
het groeiproces van binnenuit bewegen de oudere cellen
verder en verder naar de periferie én uit elkaar en dat
gaat gepaard met een voortdurende
herschikking van cellen t.o.v. elkaar langs telkens weer
andere spiralen. Cellen krijgen a.h.w.
voortdurend nieuwe buren, en verschillen daarmee in
celnummer met een steeds groter getal.
Kenmerkend is dat nummers van opeenvolgende cellen die
tezamen een spiraal vormen steeds met
eenzélfde getal toenemen, en wel met een getal uit de
reeks van Fibonacci, en spiralen verlopen
daarbij om en om linksom en rechtsom. Telkens treden weer
andere spiralen op de voorgrond,
omdat de oorspronkelijke spiralen naar buiten toe dan zó
vlak gaan verlopen, dat het contact daarbij
wordt verbroken tussen de cellen die deze keten of
spiraal aanvankelijk nog vormden, en dit om de
eenvoudige reden dat cellen zich nu eenmaal over een
steeds grotere omtrek moeten verspreiden.
Onderstaand zie je een voorbeeld hoe cellen in het
centrale deel van de zonnebloem zijn geordend.
Wanneer je in deze figuur de nummers van aan elkaar
grenzende cellen met elkaar vergelijkt
dan valt op dat de verschillen inderdaad steeds weer
getallen zijn uit de reeks van Fibonacci.
En niet alleen dat, je ziet dat dat ook steeds twee
opeenvolgende getallen zijn .

51k 38k
|
Wat óók opvalt, is dat de hoek, waaronder cellen met
opeenvolgende nummers ten opzichte van de kern
zijn gepositioneerd, geleidelijk aan naar de hoek van de
Gulden Snede gaat, een hoek van 137,5 graden !
Stel je nu eens voor dat dit een dwarsdoorsnede zou zijn
van een steel en dat bladeren aan die steel
opeenvolgend ontspringen/ontstaan uit de meest aan de
periferie gelegen cellen, dan wordt eigenlijk ook
meteen duidelijk waarom deze dan steeds onder die
karakteristieke hoek t.o.v. elkaar zijn verdraaid.
Ook een dennenappel bestaat uit een centrale steel,
vanwaaruit bladeren/schubben exact op deze wijze
aftakken. Deze vormen hebben zoals je ziet dus alle een
gemeenschappelijke structuur en ontstaanswijze.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
|
Zoals gezegd is het aantal spiralen van een bepaald type
altijd gelijk aan de onderlinge nummerafstand
tussen de cellen, d.w.z. : 5 spiralen linksom met een
stapgrootte van 5 in opeenvolgende celnummers,
8 spiralen rechtsom met een stapgrootte van 8 in
opeenvolgende celnummers,
13 spiralen linksom met een stapgrootte van 13 in
opeenvolgende celnummers, enzovoorts.
In geval van een vorm gebaseerd op de reeks van Lucas
zijn dit vanzelfsprekend andere getallen.
|
 |
Dit
gegeven herhaalt zich om en om, linksom en
rechtsom, voor elk kental uit de reeks van
Fibonacci.
Wanneer je in deze figuur langs de contour het
aantal spiralen telt in de twee draairichtingen,
dan
kom je in dit geval uit op precies 55 spiralen
linksom
en 34 rechtsom. En de buitencontour zélf bestaat
uit exact 89 cellen, de som hiervan. Dit is dan
tevens
het aantal van een eventueel nieuw type spiraal.
Met een nog wat groter aantal cellen krijg je een
tweetal schitterende plaatjes met een ordening
volgens Fibonacci : ..en
volgens..Lucas
:  |
|
Fibonacci-getallen zie je op hun
beurt óók terug in het aantal blaadjes bij bepaalde
bloemen:
Zo heeft de lelie bijvoorbeeld drie bloemblaadjes, het
boterbloempje & de geranium vijf,
de ridderspoor acht, de goudsbloem dertien, de aster
eenentwintig en madeliefjes vierendertig,
vijfenvijftig of zelfs negenentachtig. (zie: "Het
Magisch Labyrint" van de schrijver Ian Stewart)
Dé kernvraag in dit verhaal is
natuurlijk :
Waarom toch precies die karakteristieke aantallen volgens
de reeks van Fibonacci ( en incidenteel
de reeks van Lucas ) Wat maakt, dat deze reeks in dit
motief zo prominent tot uitdrukking komt?
Wel, het antwoord op die vraag is
eigenlijk heel eenvoudig:
Omdat spiralen naar buiten toe steeds vlakker verlopen,
zie je dat cellen zich voortdurend
zullen schikken langs andere spiralen met een grotere
nummerafstand tussen cellen onderling.
Op een overgang van het ene spiraalstelsel naar het
andere eindigt daarbij de vlakst
verlopende spiraal en gaat deze over in een nieuw type
spiraal.

|
Op het moment namelijk, dat
twee spiralen - hier even
weergegeven als de zijden van een ruitje - met
elkaar
een hoek maken van 120 graden, komen cellen ook
langs
een van de diagonalen hiervan met elkaar in
aanraking.
Het is dan ook meteen duidelijk, waarom een
dergelijk
ruitje eenvoudig niet verder meer is af te
vlakken.
Een nieuwe spiraal zal vanaf dat moment
samenvallen
met de getekende diagonaal en de andere spiraal
met
de steilst verlopende zijde van dit ruitje, en
deze
vormen tezamen dan vanzelf weer nieuwe ruitjes. |
Vanaf dit moment begint dus
een nieuw type spiraal, die de hoek van 120 graden
precies in
tweeën deelt. Vanaf de overgang van het ene
spiraalstelsel naar het andere bepalen de steilst
verlopende van de twee spiralen én het nieuwe type
spiraal kortom het nieuwe stelsel, en
daarbij verlopen deze spiralen in eerste instantie
onderling onder een hoek van 60 graden.
Dit komt goed tot uiting in een hierna nog te tekenen
figuur en de spiraalstructuren hierboven.
Wat hierin nu zo
karakteristiek is, is dat het aantal spiralen van
een nieuw type altijd
exact gelijk is aan de som van het aantal
spiralen van de twee voorafgaande typen !
En dat is nou bij uitstek dé eigenschap van de
reeks van Fibonacci.
Dát is dus waarom deze reeks zo uitdrukkelijk
tot uiting komt in dit motief !
En dit gaat evenzeer op voor een model dat is
gebaseerd op de reeks van Lucas.
|
Ook voor de nummerafstand
tussen cellen onderling langs een nieuw type spiraal
geldt,
dat dit steeds de som is van de celnummerafstanden langs
de twee oorspronkelijke spiralen.
Er is dus niets mysterieus aan:
cellen ordenen zich dankzij dít gegeven vanzelf volgens
dit patroon.
En omdat opeenvolgende getallen uit beide reeksen zich nu
eenmaal geleidelijk aan steeds meer
tot elkaar gaan verhouden volgens de Gulden
Snede, is het ook niet verwonderlijk dat
juist de Gulden Snede in deze typische structuur zo
duidelijk tot uiting komt.
Ook langs gekromde oppervlakken schikken cellen, schubben
en pitten zich op een zelfde wijze,
zoals o.a. bij deze cactus goed is te zien.

© Dror Bar - Natan,
University of Toronto, Canada
Onderstaande figuurtjes, de een getekend in bovenaanzicht
en de ander in zijaanzicht,
zijn hier een aardig voorbeeld van. In bovenaanzicht komt
het patroon netjes overeen met
de ordening van cellen zoals in de zonnebloem, en in
zijaanzicht levert dat dan niet toevallig
een vergelijkbaar patroon op zoals je ziet bij de
dennenappel, de ananas en de cactus hierboven.
|
 
|
~~~ >> ~~~~~~~~~~ <<
~~~ ~~~~ ~~~ >> ~~~~~~~~~~ <<
~~~
A.h.v. onderstaande figuur laat ik
nog eens zien hoe cellen zich telkens opnieuw ordenen,
wanneer
deze zich naar buiten toe over een steeds grotere omtrek
verspreiden. Dat is hier weergegeven
als een uitrekking in de horizontale ( tangentiële )
richting. Omdat het totale oppervlak,
dat deze cellen gezamenlijk innemen, hierbij in principe
niet verandert - even afgezien dan van
eventuele groei of krimp - gaat dat in verticale (
radiale ) richting gepaard met een samentrekking.

Zijn aanvankelijk cellen A, B, C en D nog geordend in een
vierkant, na samentrekking in verticale
en uitrekking in horizontale richting zijn dit vervolgens
de cellen B, C, D en E. .In eerste
instantie
vallen de twee actuele spiralen nog
samen met de zijden van het oorspronkelijke vierkant en
verlopen
derhalve in de richtingen BA en BC. .Dit
vierkant vervormt echter geleidelijk aan tot een ruit met
een maximale hoek van 120 graden. Op dat moment wordt de
spiraal in de richting BA overgenomen
door een nieuw type spiraal, en wel in de richting van de
diagonaal BD van het oorspronkelijke vierkant.
Bij verdergaande vervorming worden achtereenvolgens de
spiralen in de richtingen BC en BD
op hun beurt overgenomen door nieuwe spiralen in de
richtingen BE en BF, en dat patroon blijft zich
om en om herhalen, naarmate cellen a.g.v. het groeiproces
verder en verder naar buiten worden gedrukt.
Wanneer de nummerafstanden tussen cellen onderling langs
de oorspronkelijke spiralen nu twee opeen-
volgende getallen zijn uit de reeks van Fibonacci - hier
als voorbeeld linksom in de richting BA +5 en
rechtsom in de richting BC +8, dan is de
celnummerafstand langs de diagonaal BD kortom gelijk aan +13,
en in de richtingen BE resp. BF aan +21 en +34. Blijkbaar
zijn de celnummerafstanden langs de twee
actuele spiralen ook na voortgaande vervorming telkens
weer twee opeenvolgende getallen uit de reeks
van Fibonacci. En daarbij verloopt de steilste spiraal
zoals je ziet afwisselend rechtsom en linksom.

Hoe de spiralen in het zonnebloemmodel precies verlopen,
en waar ze in elkaar overgaan, is in deze
tekening weergegeven, met M hier als middelpunt van het
model. Als je een en ander wiskundig uitwerkt
dan blijken alle spiralen - in dit model althans - te
bestaan uit zuivere cirkelbogen, met een straal die
steeds gelijk is aan de zijde van de aangrenzende
driehoek. De diverse driehoeken zijn alle gelijkzijdig
en verhouden zich in grootte tot elkaar volgens de reeks
van Fibonacci. Op elke overgang gaat de vlakst
verlopende spiraal vanzelf over in een nieuwe en steiler
verlopende spiraal. Je ziet, dat dat precies het
geval is, wanneer twee oude spiralen onder een hoek van
120 graden t.o.v. elkaar verlopen, en tevens zie
je dat elke nieuwe spiraal op een overgang een hoek maakt
van 60 graden met de doorlopende spiraal.
En kenmerkend is dat alle spiralen daarbij dus steeds in
tegengestelde draairichting verlopen.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Ik hoop dat ik hiermee althans
enigszins heb kunnen verhelderen waarom de reeks van
Fibonacci en
de Gulden Snede zo'n prominente rol spelen in het
ontstaan van die karakteristieke structuur in het
zonnebloemmotief en in vergelijkbare vormen in de levende
natuur. Het mag duidelijk zijn dat de
wijze waarop cellen delen en groeien, behalve door
omgevingsfactoren, in grote lijnen zal worden
bepaald door het genetisch materiaal. Welke vorm daar dan
uiteindelijk uit voortkomt, hangt direct
samen met de wijze waarop de celdeling verloopt en de
snelheid waarmee cellen volgroeien. En het
krachtenspel tussen de cellen onderling bepaalt dan hoe
deze daarbij t.o.v. elkaar worden geordend.
Bij bepaalde cactussoorten zie je overigens een
overeenkomstig patroon, waarbij het omhulsel is
opgebouwd uit segmenten, die veelal op eenzelfde wijze
zijn geordend langs spiralen. De ontstaans-
wijze is in dat geval gebaseerd op plooiing van het
omhulsel rond de top tijdens het groeiproces.
Ook nu zijn het de onderlinge krachten en interactie die
bepalen hoe deze plooiingen/segmenten
worden geordend, exact zoals dat het geval is bij elkaar
verdringende cellen in een zonnebloem.
Er bestaan veel varianten op dit thema, die aanzienlijk
ingewikkelder zijn dan hier beschreven.
Om mijn verhaal niet onnodig ingewikkeld te maken, zal ik
er hier niet dieper op ingaan (zie afb.)

© Patrick Shipman, University
of Arizona
~~~ >> ~~~~~ <<
~~~ ~~~~~~~ ~~~ >> ~~~~~ <<
~~~
Een totaal andere en minstens zo
interessante gedachtengang is de volgende:
Stel, je hebt een structuur, die bestaat uit een
honderdtal cellen, ik noem even een aantal.
Als nu de jongste cel in de kern deelt, in een richting
waarbij het de minste weerstand ondervindt,
en deze nieuwe cel vervolgens uitgroeit tot deze even
groot is als de oorspronkelijke cel in de
beginsituatie, en je daarbij de oudste cel aan de
periferie nu even buiten beschouwing laat, dan
heb je - na één volledige groeicyclus - wederom een
vorm bestaande uit eenzelfde aantal cellen.
Neem nu eens aan, dat de mate van groei of krimp van elke
cel wordt bepaald door de leeftijd.
De redenering is dan, dat deze nieuwe vorm van 100 cellen
( minus de oudste cel dus )
in principe "congruent " zou
moeten zijn aan de oorspronkelijke vorm van 100 cellen.
Interessant is dan om uit te zoeken over welke hoek je
deze nieuwe vorm precies moet kantelen
t.o.v. de oorspronkelijke vorm om beide vormen zo goed
mogelijk met elkaar te laten samenvallen.
Wel, als je dat nu wiskundig uitwerkt, bijvoorbeeld voor
het eerder beschreven honingraatraster,
dan blijkt dat deze hoek netjes naar de 'Gulden
Hoek ' gaat, een hoek dus van 137,5
graden.
Dit 'congruentieprincipe ' komt zeer
goed tot zijn recht op de eerder genoemde pagina,
waarop de groeicyclus in de kern van de zonnebloem wordt
weergegeven >>>> !
 
© Andrew Ross, Cactus &
Succulents Society of New Zealand
Blijkbaar ontstaat bij déze hoek
een zodanig effectieve schikking en ordening van cellen,
dat
deze gezamenlijk een zo klein mogelijk oppervlak innemen
met een zo klein mogelijke omtrek.
Feit is, dat bij een hoek van 137,5 graden tussen
opeenvolgende cellen gemeten t.o.v. de kern
cellen nagenoeg perfect op elkaar aansluiten. Of ietwat
anders geformuleerd: Iedere oudere
cel bezet dan precies steeds díe lege plek, die nog het
dichtst bij de kern ligt. Als je hier op
doorredeneert, dan is niet moeilijk in te zien, dat
opeenvolgende bladeren aan een stengel, die
t.o.v. elkaar zijn verdraaid over deze hoek van 137,5
graden, het invallende licht van bovenaf
daadwerkelijk maximaal benutten. Elk blad ontspringt
zodanig, dat het vanuit de kern gezien
de meeste open plek inneemt, waar het dan vanzelfsprekend
ook het meeste licht opvangt,
Geen enkel blad ontspringt in eenzelfde richting als welk
ander blad ook. En niet voor niets
noemt men daarom het getal van de Gulden Snede ook wel
eens 'het meest irrationale getal '.
Onderstaand zie je hoe effectief een dergelijke schikking
van bladeren is. De beschikbare
"lichtruimte "
wordt op deze wijze optimaal benut, er gaat werkelijk
geen plekje verloren.
|
|
Het is boeiend om te zien, hoe patronen zoals beschreven
a.h.w. als vanzelf ontstaan,
simpelweg a.g.v. de wijze waarop cellen in de kern delen
en groeien en elkaar daarbij
uiteen en naar buiten drukken. Een mooi voorbeeld hiervan
is de middelste figuur, waarin
cellen - hier dan weliswaar fictief - naar buiten toe
geleidelijk aan in grootte toenemen
en waarin deze in oplopende volgorde zijn gestapeld op de
eerder beschreven wijze.
Zijn cellen aanvankelijk nog netjes geordend in een
honingraatpatroon, naar de periferie
toe zie je dit patroon als vanzelf overgaan in die zo
karakteristieke en schitterende
spiraalvormige structuur. Ook hier gaat de gemiddelde
kantelhoek van cellen geleidelijk
aan netjes naar de 'Gulden Hoek '. Om
precies te zijn bedraagt die hier 137,5036 graden !
In de figuur rechts zie je voorts nog een denkbeeldige
situatie, waarin de afmeting van
cellen evenredig is met de afstand ervan tot de kern, en
spiralen onafgebroken verlopen.
De 'National Gallery of Australia'
wordt gesierd door een zo ongelooflijk mooi kunstwerk,
gebaseerd op ditzelfde thema, dat ik het niet kan laten
om het hier toch even te noemen.
Een werkelijk prachtige sculptuur van Matthew
Harding getiteld "Phyllotaxis ".

© Matthew Harding, National
Gallery of Australia
<< ~~~ ~~~~~ ~~~ ~~~~~ ~~~
>>
In het merendeel van de zonnebloemen
- pakweg 92 % - zien we dat pitten spiraalsgewijs
geordend
zijn volgens de reeks van Fibonacci. Echter bestaan er
zoals gezegd op dit motief verschillende
varianten waarin cellen/pitten blijkbaar afwijkend zijn
geordend volgens "de Reeks van Lucas ".
Vraag is natuurlijk hoe dit
afwijkende patroon precies ontstaat? Het heeft in ieder
geval te maken
met het gegeven hoe cellen in de kern elkaar tijdens het
delingsproces uiteendrukken en dat wordt
mogelijk mede bepaald door de snelheid, waarmee cellen in
de kern hun volle omvang bereiken.
In principe ordenen cellen zich op een zodanige wijze,
dat dat steeds gepaard gaat met zo min
mogelijk energieverlies, en dat wil zeggen dat een nieuwe
cel zich als vanzelf daar nestelt en
uitgroeit in een richting, waarin het de minste weerstand
ondervindt van de omringende cellen.
Eenmaal in gang gezet verloopt het proces van celdeling
blijkbaar op een zódanige wijze dat het
zichzelf blijft herhalen. Anders gezegd: met behoud dus
van de oorspronkelijke spiraalstructuur !
De volgende twee figuren laten voor
beide varianten de opbouw zien in de kern van de
zonnebloem.
In de linker figuur zie je hoe kerncellen - de primordia
-zijn geordend in een model volgens Fibonacci,
en in de figuur rechts is weergegeven hoe dat er dan
precies uit ziet in een variant volgens Lucas.
Jongere cellen vullen de lege ruimte in de kern steeds
zodanig op, dat er na één volledige groeicyclus
én na draaiing van de figuur daadwerkelijk sprake is van
congruentie: cellen zijn dan na een
volledige cyclus exact weer hetzelfde geordend als in de
oorspronkelijke situatie.

Fibonacci-variant
|

Lucas-variant
|
Karakteristiek is, dat een nieuwe
cel in de variant van Lucas niet zozeer de twee oudste
cellen van het drietal jongste cellen uiteen drukt, maar
veeleer de jongste en oudste van de drie.
Dit gegeven leidt blijkbaar tot een andere ordening van
cellen en een afwijkende structuur.
Beide varianten zijn niet zó gemakkelijk van elkaar te
onderscheiden. Het verschil zit hem in het
aantal spiralen linksom en rechtsom: dat zijn in de
variant van Lucas dus geen getallen uit de reeks
van Fibonacci, maar uit de reeks van Lucas, en bovendien
zijn opeenvolgende cellen in dit motief
gemiddeld niet over een hoek van 137,5 graden t.o.v.
elkaar verdraaid, maar over 99,5 graden !
Wanneer je cellen in oplopende nummervolgorde langsloopt,
dan valt het verschil onmiddellijk op.
Voldoet een hoek van 137,5 graden hierin exact aan de
Gulden Snede: 137,5o : 222,5o = 1 :
1,618,
een hoek van 99,5 graden volgt zoals je ziet een iets
andere verhouding: 99,5o : 260,5o
= 1 : 2,618.
Maar het mag duidelijk zijn dat de Gulden Snede ook in
deze laatste hoek terdege te herkennen is.
Evenzo ziet een stapelschema er voor
deze twee varianten op het zonnebloemmotief niet
hetzelfde uit:
links zie je het schema volgens de reeks van Fibonacci
& rechts het schema volgens de reeks van Lucas.
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
9
|
6
|
|
|
|
8
|
12
|
|
|
|
|
| |
|
|
4
|
1
|
3
|
|
|
4
|
1
|
5
|
|
|
|
| |
|
7
|
2
|
0
|
8
|
-------
|
11
|
0
|
2
|
9
|
|
|
| |
|
10
|
5
|
13
|
|
|
7
|
3
|
6
|
|
|
| |
|
|
18
|
26
|
|
|
|
14
|
10
|
|
|
|
|
A.h.v. een tweetal figuren laat ik tot slot nog zien hoe
de celdeling in de kern precies verloopt,
want dat komt in de figuren hiervoor, waarin cellen
eigenlijk al zo goed als volgroeid zijn, niet
echt goed tot zijn recht. Het blijkt wiskundig een erg
lastige opgave om deze fase van celdeling
en groei en met name de overgang ervan naar de
spiraalstructuur goed te beschrijven.
Toch zijn in de twee tekeningen - zij het met enige
moeite - al de eerste spiralen te herkennen,
precies zoals hiervoor beschreven. Het karakteristieke
onderscheid bestaat er zoals gezegd in,
dat een nieuwe cel in het Fibonacci-model altijd de
oudste twee van een drietal cellen uiteen drukt,
terwijl in het Lucas-model de oudste en de jongste van
dit drietal cellen uit elkaar worden gedrukt.
Dát bepaalt uiteindelijk welke variant ontstaat.
Bovendien zie je dat ook nu de divergentiehoek,
d.i. de hoek waaronder opeenvolgende cellen t.o.v. de
kern zijn gekanteld, in het ene model
om en nabij gelijk is aan 137,5 graden en in het andere
model aan 99,5 graden.
Zijn cellen eenmaal wat meer volgroeid, dan ontstaat
vanzelf de bekende spiraalstructuur.
Strikt genomen verloopt het proces
van deling en groei in en rond de kern iets
ingewikkelder.
Primordia ontstaan niet zozeer in één centraal punt,
maar veeleer in een ringvormige zone rond
een top of kerngebied. Een nadere analyse laat zien dat
dit groei- & delingsproces ook tot een
andere ordening van cellen en bladeren kan leiden. Er
zijn drie basisvormen te onderscheiden
waarop bladeren zich kunnen ordenen (de phyllotaxis) :
om-en-om, kransvormig en spiraalsgewijs.
Wie geďnteresseerd is wijs ik graag nog op twee eerder
gepubliceerde artikelen, een van de hand
van Lennart de Nooijer getiteld:
"Buitenaardse
blik op evolutie herzien " en
het andere geschreven
door Dr.ir. Frank van der Linden onder de titel: "Bouw
van planten ". In dit artikel beschrijft
van
der Linden het biologische groei- & delingsproces
& de phyllotaxis nog aanzienlijk genuanceerder.
 Fibonacci-motief
|
 Lucas-motief
|
~~~ >> ~~~~~~~~~~~ <<
~~~ ~~~~~~~~~~ ~~~
>> ~~~~~~~~~~~~ <<
~~~
|
In de natuur zie je eindeloos veel onvoorstelbaar mooie
patronen en structuren,
in een variëteit en schoonheid, waar je alleen maar met
verwondering naar kunt kijken.
Dat dat zomaar kan ontstaan, er zomaar kan en mag zijn.
Ik vind dat ongelooflijk mooi en boeiend.
|
~~~ >> ~~~~~~~~~~~ <<
~~~ ~~~~~~~~~~ ~~~
>> ~~~~~~~~~~~~ <<
~~~
|
Wie zich nog eens grondig zou willen
verdiepen in de wiskundige achtergrond van dit motief
en kennis wil maken met de eigenaardigheden van de Gulden
Snede en de reeks van Fibonacci,
verwijs ik nogmaals van harte naar een uitgebreide
analyse van het zonnebloemmotief: >>> .
Van recenter datum bovendien nog een stuk over het
zogeheten 'van Iterson diagram ',
in Word-formaat en voorzien van een heldere uitleg en een
wiskundige beschrijving: >>> .
Een erg fraaie Engelstalige site met
uitgebreide informatie over dit onderwerp vind je op:
http://maven.smith.edu/~phyllo/ ---ik kan je
een bezoek aan deze site beslist aanbevelen !
Heb je deze pagina direct bezocht en
niet via de homepage, dan nodig ik je graag uit om
ook zeker eens een kijkje te nemen in de Tekengalerij,
waarin ik een aantal tekeningen heb
ondergebracht die ik de afgelopen jaren heb gemaakt (
zie: members.chello.nl/~jlmbar ).
|
|