森林打破了自然界中令人著迷的法則

分形的美妙之處，自我重復(fù)的模式遍布自然界，是他們無限深邃的迷人重復(fù)。

放大在蕨類植物葉子和雪花等物體中發(fā)現(xiàn)的分支，你會看到它們以微型形式重復(fù)出現(xiàn)——有時一直到原子和量子物質(zhì).

盡管它們令人著迷，但這種幾何圖案也有其局限性。根據(jù)一項(xiàng)新的研究，該研究發(fā)現(xiàn)森林樹冠不會復(fù)制單棵樹的分形模式。

鑒于分形在自然界中似乎很常見，布里斯托大學(xué)的生物學(xué)家Fabian Fischer和Tommaso Jucker想要測試分形模式可以解釋森林冠層如何組織的想法。

他們認(rèn)為，如果分形模式從一棵樹的小樹枝和葉子延伸到整個森林樹冠，它可以幫助生態(tài)學(xué)家使用簡單的數(shù)學(xué)語言描述復(fù)雜的景觀。

“從科學(xué)上講，這種自相似性具有吸引人的特性，它允許你使用一些非常簡單的規(guī)則和數(shù)字來描述一個看似復(fù)雜的物體。解釋費(fèi)舍爾。

如果森林冠層表現(xiàn)得像分形，那么Fischer和Tommaso認(rèn)為，也許他們可以利用這種涌現(xiàn)特性來量化森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，使他們能夠直接比較世界森林的結(jié)構(gòu)差異。

“冠層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是森林生態(tài)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵新興屬性，與它們儲存碳、循環(huán)水和養(yǎng)分以及為生物多樣性提供棲息地的能力直接相關(guān)，”兩人在他們的論文中寫道.

一些幾十年的研究有指向證據(jù)分形圖案，但僅限于斑駁或受火災(zāi)影響的森林，因此尚不清楚這是否反映了森林景觀的真實(shí)屬性。

最近的分析模型也試圖計(jì)算森林的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以了解什么條件產(chǎn)生更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng).

為了進(jìn)行調(diào)查，F(xiàn)ischer和Tommaso從澳大利亞九種截然不同的森林類型中收集了機(jī)載激光調(diào)查的數(shù)據(jù)，從干燥的灌木叢和熱帶稀樹草原到茂密的熱帶雨林和高聳的山灰(桉樹（Eucalyptus regnans）） 森林。這九個地點(diǎn)，每個地點(diǎn)的面積為5平方公里，降雨量差異很大，結(jié)構(gòu)也很大。

通過每次激光掃描，研究人員建立了森林樹冠的高分辨率模型，以了解這些地點(diǎn)與分形縮放的緊密程度。

分析發(fā)現(xiàn)，完全沒有仔細(xì)：九個樹冠部分中沒有一個表現(xiàn)得像單個樹冠之外的分形。

然而，森林的特征以及它們?nèi)绾纹x分形模式存在一定的可預(yù)測性，這可能仍然有助于生態(tài)系統(tǒng)比較。例如，較高、較濕潤的森林比較短、較干燥的生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出更高程度的自相似性。

“我們發(fā)現(xiàn)森林冠層不是分形的，但它們在偏離分形的方式上非常相似，無論它們處于哪個生態(tài)系統(tǒng)中，”說費(fèi)舍爾。

“這太令人驚訝了，”他添加，“所有森林樹冠在偏離真實(shí)分形的方式上是多么相似，以及偏差如何與樹木的大小以及它們的環(huán)境有多干燥有關(guān)。

下一步，研究人員希望比較全球更廣泛的森林生態(tài)系統(tǒng)，并及時查看多次掃描，以了解森林結(jié)構(gòu)如何發(fā)展。

雖然認(rèn)為我們可以用幾個數(shù)學(xué)術(shù)語來解釋自然的復(fù)雜性可能是件好事，但森林很可能被證明是不守規(guī)矩的生態(tài)系統(tǒng)，從它們的樹冠上看，它們違背了數(shù)學(xué)定律一直到他們的細(xì)胞.這其中也有一些美麗的東西。

該研究已發(fā)表在生態(tài)學(xué)雜志.

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