樹木作為一種生物個體，其目的就是盡可能地保證自己的生存和繁殖，而要達到這一點就需要從環(huán)境中獲得物質(zhì)和能量。其獲得物質(zhì)和能量主要來自兩個部位，一個是根，另外一個就是葉。葉子最主要的功能是進行光合作用，利用光能將二氧化碳轉化為有機物為自身所用，為了最有效地進行光合作用，在保證在平衡樹木本身蒸騰作用、養(yǎng)分運輸和性器官（花、果）的生長情況下就要讓葉子能接觸到陽光的表面積達到最大，而葉子的的載體----樹干就要進行分支，擴大生長葉子的面積。

從細方面說，樹枝的分叉選擇其實是非常合理的。

首先，樹枝分叉并不是隨意的，是樹木生長過程中不斷調(diào)整的。樹木的生長分初級生長（primary growth）和次級生長（secondary growth）。初級生長是指頂端分生組織形成的生長，主要是芽和根尖；次級生長主要是指側生形成層（lateral meristem）形成的生長。樹的分支就屬于后者，準確來說是來自葉腋分生組織（Axillary meristems），多處于葉子和枝干接觸部位的上方。在植物的生長過程中葉腋分生組織不斷形成，但是葉腋分生組織是處于休眠還是激活、激活后形成腋芽（Axillary bud）是否繼續(xù)生長，生長情況如何，都是受到精密調(diào)控的。一個普遍的例子就是我們高中所學的“頂端優(yōu)勢”，是生長素介導的植物的頂芽優(yōu)先生長而側芽受抑制的現(xiàn)象，決定了樹分叉的生長情況。除此之外還有其他的植物激素和基因控制，有興趣的話可以看看這篇文獻：Something on the side: axillary meristems and plant development，里面有詳細介紹樹枝分叉的調(diào)節(jié)。

其次，樹枝的分叉也體現(xiàn)在精密的生長設計上。在植物的次生生長上，很多時候是符合斐波納契數(shù)列（Fibonacci Sequence）的，指的是這樣一個數(shù)列：1、1、2、3、5、8、13、21、可以歸納為F0=0，F(xiàn)1=1，F(xiàn)n=F(n-1)+F(n-2)。這個數(shù)列有一個性質(zhì)，越往后面，相鄰兩個斐波納契數(shù)（1/2, 2/3, 3/5, 5/8, 8/13）的比越近似等于0.618黃金分割，這個數(shù)列又稱為又稱黃金分割數(shù)列。在發(fā)育成樹枝的葉腋的排列中，記任意一個點為0然后往上數(shù)，知道另一個相同位置出現(xiàn)葉腋，其中的周數(shù)/葉腋數(shù)（1/2, 1/3, 2/5, 3/8, 8/13）很多都是斐波那契數(shù)的相鄰兩個。這趨近于黃金分割點的排列方式可以保證在空間上錯落開，充分利用陽光。具體可，另外國外還有小朋友利用這個數(shù)列設計了太陽能電池樹，好像效果不錯。當然，也不是所有書都遵從這個的。

除了斐波納契數(shù)列，樹枝分叉還有一個特性，就是當樹木分岔時，樹干和樹枝之間存在某種關系----樹干的粗度等于同一高度樹枝的總粗度，用數(shù)學表示的話是 D2 = ∑di 2，其中D表示樹干的直徑，di表示次生分枝的直徑，i = 1, 2, ... n（真實情況其中的指數(shù)介于1.8到2.3之間）。這個現(xiàn)象是由達芬奇發(fā)現(xiàn)的，所以也稱達芬奇公式。那么為什么分枝會遵循這個公式呢？最近Physics Review Letters發(fā)表的文章Leonardo’s Rule, Self-Similarity, and Wind-Induced Stresses in Trees給出了可能的答案。作者建立了模型分析，從工程學的角度發(fā)現(xiàn)這樣的結構是最能抵抗強風的設計，而樹木的分叉在演化過程中就“自動”演化出了符合達芬奇公式的結構。

最后，樹木分叉最終形成的樹冠，而樹冠的“設計”其實也非常有講究。一般來說樹冠可以分為六種形態(tài)：長型、球型、橢圓型、瓶型，金字塔型和垂枝型,一般來說這跟頂端優(yōu)勢是否明顯有關系，如果頂端優(yōu)勢明顯，向兩邊生長就會抑制，形成高大的樹，如松樹；如果頂端優(yōu)勢不明顯，樹就會傾向于橫向生長，如橡樹。樹冠的形態(tài)和生長地域息息相關，舉個例子，多在寒冷地球的針葉樹，樹冠和切面面積寬度比溫帶地區(qū)的數(shù)目要小，而且呈金字塔狀，這樣的結構可以防止在下雪的時候側枝積累過多的重量，導致樹枝的折斷，從而保護樹木。

因此，樹木分枝的原因是在保證其它條件平衡的狀況下讓樹葉有更多的著生空間以便更好利用陽光。而且分枝的形式并不是隨意的，而是收到植物體基因和激素的嚴格調(diào)控，而且在演化的過程中分枝的方式最大程度地達到了適應環(huán)境保護自身的目的。

作者：葉一
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來源：知乎