Секретная геометрия леса: как одно дерево раскрывает структуру целого леса

Исследователи из Университета Аризоны под руководством Брайана Энквиста обнаружили, что скрытые в архитектуре деревьев фундаментальные правила позволяют описать структуру и функционирование лесов по всему миру.

Простые правила сложных форм

Несмотря на внешнее разнообразие, архитектура всех деревьев формируется по общим простым правилам, определяющим, когда, как и каких размеров должны быть ветви. Правило звучит так: «Вырасти до определенной длины или ширины, а затем разветвись». Его повторение по мере роста создает фрактальную структуру — самоповторяющийся узор, где от материнской ветви или ствола отходят дочерние ветви.

Эти правила, известные также как правила Леонардо да Винчи, универсальны для почти всех видов деревьев (за исключением, например, пальм). Отношения длин и радиусов материнской и дочерней ветвей одинаковы для разных видов, даже если сами деревья выглядят совершенно по-разному. Разнообразие форм возникает из-за «разных вариантов» этих правил, например, изменения углов ветвления.

От внешней формы к внутренней сети

В серии исследований, опубликованных в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда Энквиста показала, что одни и те же правила ветвления управляют не только внешней архитектурой, но и структурой внутренних проводящих тканей — ксилемы и флоэмы, которые транспортируют питательные вещества по растению.

Существование этих правил — результат естественного отбора. Деревья эволюционировали, чтобы решить две противоречащие друг другу задачи:

1. Поглощать как можно больше ресурсов (света, воды, питательных веществ).
2. Тратить как можно меньше энергии на их транспортировку внутри растения.

Эти правила, закодированные в ДНК, оптимизируют как внешнюю форму (которая определяет количество листьев и поглощение CO₂), так и внутреннюю сосудистую сеть (которая влияет на эффективность транспорта).

От дерева к лесу

Поскольку почти все растения следуют одним и тем же сетевым правилам, их можно масштабировать, чтобы делать точные прогнозы о функционировании целого леса.

В лесу, где ресурсы ограничены, деревья конкурируют друг с другом. Результат — фрактальное заполнение пространства: несколько крупных деревьев занимают большую часть ресурсов, а множество мелких заполняют промежутки. Соотношение больших деревьев к малым в лесу оказывается таким же, как соотношение больших ветвей к малым на одном дереве из этого леса.

«Если мы знаем что-то об этих правилах, управляющих разветвленными сетями, мы можем начать говорить о том, что может произойти в будущем. Эти паттерны ветвления настолько повсеместны, что будут определять и влиять на то, как растения отреагируют на меняющийся мир», — говорит Брайан Энквист.

Таким образом, анализируя всего одно дерево, можно понять структуру и углеродный обмен целого леса.