Едно дърво може да е фрактално, но не и цялата гора

Начинът, по който растат заедно дърветата, не прилича на начина, по който растат клоните на отделно дърво

Ваня Милева Последна промяна на 26 януари 2024 в 00:00 5792 0

Хипотетична фрактална гора, генерирана с помощта на изкуствен интелект. Оказа се, че простите математически правила не могат да обяснят сложността на горите

Кредит Fabian Fischer и Tommaso Jucker

Хипотетична фрактална гора, генерирана с помощта на изкуствен интелект. Оказа се, че простите математически правила не могат да обяснят сложността на горите

Сложността на горите не може да се обясни с прости математически правила, установява проучване. 

Природата е пълна с изненадващи повторения. При дърветата големите клони често изглеждат като цели дървета, докато по-малките клони и клонки изглеждат като по-големите клони, от които са израснали. Отдавна се предполага, че това свойство, наречено фракталност, се отнася и за цели гори, ноново проучване установява, че това не е така.

Начинът, по който е оформен и структуриран горният слой на гората, наречен горен етаж, е от решаващо значение за функциите на гората. Това включва колко въглерод се съхранява в нея, как се движат водата и хранителните вещества и колко добре осигурява дом на различни растения и животни. Въпреки тази важност все още се нуждаем от стандартен начин за измерване на сложността на горската покривка. Трябва да се изясни дали има прости насоки, които могат да обяснят защо горските горни етажи изглеждат толкова различно по света.

Дълго време учените смятаха, че фракталността, която включва повтарящи се модели в различни мащаби, се прилага както за отделни дървета, така и за цели гори. Изследователи от Факултета по биологични науки към Бристолския университет обаче откриват, че това предположение е погрешно и трябва да бъде коригирано.

Тяхното изследване оспорва идеята, че повтарящите се модели, наблюдавани в рамките на отделни дървета, могат да бъдат разширени, за да опишат горния етаж и ландшафта на горите.

Фракталността е често срещана характеристика в различни природни системи. Мрежи като артерии или реки често показват самоподобност в моделите си на разклоняване, а много живи структури, като дървета, папрати или броколи, се състоят от части, които приличат на цялото.

Фракталността осигурява начин за идентифициране и измерване на тези самоподобни модели, които често се наблюдават в природата, и се предполага, че е общо възникващо свойство на много природни системи.

Ако гледате снимка на нещо и ви е трудно да определите размера му, това е добър признак за фракталност. Например, това голяма планина ли е, или просто малка скала, наподобяваща планина? Това клонче ли е, или цяло дърво?

Прочетете повече в "Фракталният алгоритъм на природата".

От научна гледна точка тази самоподобност е привлекателна, защото ни позволява да опишем сложен обект с помощта на прости правила и числа.

Ако самоподобието се разпространи от малките клонки на едно дърво до цели горски екосистеми, то би могло да опрости начина, по който еколозите описват сложните ландшафти. Тя дава възможност за пряко сравняване на сложността на много различни екосистеми, като кораловите рифове и горските корони.

За да проверят тази концепция за горските горни етажи, които се държат като фрактали, изследователите използват данни от въздушно лазерно сканиране от девет обекта в Австралийската мрежа за изследване на земните екосистеми (TERN). Тези обекти обхващат широк диапазон от валежи. Структурата им се различава значително - от редки и къси сухи гори в Западна Австралия до 90-метрови гори от планински ясен в Тасмания. За всяко лазерно сканиране учените са създали подробни карти на височината на горите и са ги сравнили с височината на горите, ако те следват фрактален модел.

Водещият автор д-р Фабиан Фишер (Fabian Fischer) обяснява: "Установихме, че горските горни етажи не са фрактални, а много сходни по начина, по който се отклоняват от фракталността, независимо от това в каква екосистема се намират."

"Това, че те не са фрактални, е много логично и беше нашата хипотеза от самото начало. Макар и да е объркващо да объркаш клон с цяло дърво, обикновено е лесно да различиш дърветата от горичка или цяла гора."


"Но беше изненадващо колко сходни бяха всички горски горни етажи по начина, по който се отклоняваха от истинските фрактали, и как отклоненията бяха свързани с размера на дърветата и с това колко суха е тяхната среда."

"Последователността на отклоненията също така ни даде представа как можем да сравняваме сложността в различните екосистеми. Повечето екосистеми, като горите, ще достигнат горна граница - най-вероятно определена от максималния размер на нейните организми - отвъд която структурата им вече не може да варира свободно."

"Ако успеем да определим тези горни граници, това би могло да открие пътища за разбиране на начина, по който функционират много различни организми и системи (коралови рифове, гори и др.), и за проверка дали те биха могли да споделят едни и същи основни организационни принципи."

Изследователският екип възнамерява да разшири проучването си, като сравни още по-широк набор от горски екосистеми по света. Целта им е да определят дали подобни основни принципи ръководят организацията на тези екосистеми и евентуално да разширят изследванията си извън горите.

Горските горни етажи са много различни. Кредит: Wikimedia Commons

Д-р Фишер заключава: "Ключов въпрос в науката е дали в природата има обобщаващи модели - отличен кандидат за това е фракталността."

"Горите, които изследвахме, не бяха фрактални, но имаше ясни прилики във всички обекти при отклонението от фракталността. От теоретична гледна точка това сочи пътя към рамка за намиране на общи организиращи принципи в биологията."

"Но това има и практически последици: ако не можем да разберем гората от нейните дървета и обратно, тогава трябва да наблюдаваме горите както в малки, така и в големи мащаби, за да разберем как те реагират на климатичните промени и нарастващия човешки натиск."

Справка: Fabian Jörg Fischer, Tommaso Jucker. No evidence for fractal scaling in canopy surfaces across a diverse range of forest types. Journal of Ecology. DOI: 10.1111/1365-2745.14244

Източник: Simple mathematical rules can’t explain the complexity of forests, ТechЕxplorist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !