Математические модели обнаружили «скрытый порядок» в растительности засушливых земель по всему миру.

от

Скрытый порядок в растительности засушливых земель

Если вам когда-либо приходилось путешествовать по засушливым землям, вы могли заметить поразительные закономерности в распределении растительности — полосы, пятна или кольца, разбросанные по бесплодным ландшафтам. От «тигрового кустарника» в Западной Африке до загадочных «волшебных кругов» в Намибии — эти узоры издавна вызывали удивление и научное любопытство.

Десятилетия исследований показали, что такие узоры возникают спонтанно в процессе, называемом пространственной самоорганизацией. Эти самоорганизующиеся узоры — больше, чем просто эстетика — они помогают организмам справляться со стрессом, таким как длительные засухи, позволяя экосистемам сохраняться и функционировать хорошо даже в экстремальных условиях.

Недавно опубликованное исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences обнаружило новое самоорганизующееся состояние растительности, известное как «неупорядоченная гиперуниформность», в засушливых землях по всему миру.

«Неупорядоченность» означает, что если вы стоите в поле и смотрите на растения в пределах нескольких метров, их расположение кажется совершенно случайным — нет очевидного порядка. Но если вы отойдёте — скажем, с помощью дрона, захватывающего сотни метров ландшафта, — вы обнаружите, что плотность растений удивительно равномерна по всей площади. Это гиперуниформность», — объяснил Вэнси Ху из Нанкинского университета в Китае, ведущий автор исследования.

«Неупорядоченная гиперуниформность — это своего рода «скрытый порядок», потому что он невидим невооружённым глазом», — добавила профессор Лицзюань Цуй из Китайской академии лесного хозяйства, соавтор исследования.

Используя математические модели, исследователи изучили, как такой скрытый порядок может возникать в засушливых землях. Они обнаружили, что он возникает в результате простых локальных взаимодействий между растениями и их окружающей средой. Например, в засушливых условиях растения обычно жёстко конкурируют за воду и питательные вещества (отрицательное взаимодействие). Однако уже укоренившиеся растения также улучшают местные почвенные условия, повышая удержание воды и доступность питательных веществ — положительный эффект, который может сохраняться даже спустя годы после гибели растений.

Это «экологическое наследие» облегчает появление новых саженцев вблизи останков их предшественников. Со временем, когда этот цикл смерти и возрождения повторяется, растительность постепенно организуется в неупорядоченное гиперуниформное состояние.

«Этот эффект наследия имитирует своего рода случайную реорганизацию», — сказал профессор Рикард Соле из Университета Помпеу Фабра в Испании. «В физике мы знаем, что подобные движения частиц могут привести к образованию прочных неупорядоченных гиперуниформных материальных структур как эмерджентного свойства в «критическом поглощающем состоянии».

«Неупорядоченная гиперуниформность может возникать в результате различных комбинаций положительных и отрицательных экологических взаимодействий, но эти взаимодействия сводятся к нескольким фундаментальным физическим принципам, таким как принцип Тьюринга и принцип фазового разделения», — сказал профессор Цюань-Син Лю из Шанхайского Jiao Tong University.

Важно отметить, что экосистемы в гиперуниформном состоянии более эффективно используют ограниченное количество осадков. «Эта коллективная организация позволяет растительности засушливых земель поддерживать более высокую плотность растений и сохраняться в суровых условиях», — сказал доктор Мигель Бердуго из Мадридского университета Комплутенсе в Испании.

Но есть нюанс: «Формирование этого скрытого порядка требует времени», — сказал профессор Соня Кефи из Университета Монпелье во Франции. «Как только он нарушен — скажем, чрезмерным выпасом или деградацией земель — его трудно восстановить. В природе нет ничего бесплатного».

Чтобы проверить, насколько широко распространено это явление, команда проанализировала спутниковые снимки высокого разрешения более чем 400 участков засушливых земель по всему миру.

«Примерно на одном из десяти участков, которые мы изучали, были обнаружены явные признаки неупорядоченной гиперуниформности», — сказал профессор Мануэль Дельгадо-Бакеризо из Института природных ресурсов и агробиологии в Севилье (IRNAS) и Высшего совета по научным исследованиям (CSIC). «Это не редкая аномалия — это глобальная особенность экосистем засушливых земель».

Открытие объединяет масштабы и дисциплины. «Самое увлекательное, — сказал профессор Чи Сюй из Нанкинского университета, — это то, что те же физические принципы, которые управляют расположением частиц или клеток, также формируют целые экосистемы. Элегантный дизайн в природе может быть скрыт у всех на виду — даже в такой, казалось бы, простой вещи, как растительность засушливых земель».

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте