极限数学研究显示 森林比想象中更复杂

长期以来，人们一直认为这种被称为分形的特性也适用于整个森林，但布里斯托尔大学的研究人员发现事实并非如此。

最近发表在《生态学杂志》 上的这项研究驳斥了一种说法，即在单棵树木内部观察到的自相似性可以扩展到整个林冠和景观。

自然界中的分形

主要作者 Fabian Fischer 博士解释说："许多自然系统都存在分化现象。动脉或河流等运输网络的分支方式往往具有自相似性，而树木、蕨类植物或西兰花等许多有机结构都是由看起来像整体的部分组成的。分形提供了一种对我们在自然界中经常观察到的自相似模式进行分类和量化的方法，并被假定为许多自然系统共有的新兴属性。凭直觉，如果你看了一张某物的照片，却无法确定它有多大，那么这就是分形的一个很好的指标。例如，我面前的是一座大山，还是一块看起来像山的小石头？它是一根树枝还是整棵树？在科学上，这种自相似性有一个吸引人的特性，那就是它可以让你用一些非常简单的规则和数字来描述一个看似复杂的物体。"

如果自相似性从一棵树的小枝扩展到整个森林生态系统，那么它将帮助生态学家以更简单的方式描述复杂的地貌，并有可能直接比较珊瑚礁和森林树冠等截然不同的生态系统的复杂性。

为了验证森林树冠表现得像分形的这一观点，研究小组使用了分布在澳大利亚陆地生态系统研究网络（TERN）九个地点的机载激光扫描数据。这些地点的降雨梯度很大，结构也千差万别：从西澳大利亚稀疏矮小的干旱林地到塔斯马尼亚高耸的 90 米高的山灰林。通过每次激光扫描，他们得出了高分辨率的森林高度图，并将其与森林分形时的高度进行了比较。

费舍尔博士说："我们发现，森林树冠并不是分形的，但它们偏离分形的方式非常相似，无论它们处于哪个生态系统中。它们不是分形的这一点很有道理，也是我们从一开始就提出的假设。虽然有可能把树枝和整棵树混淆，但通常很容易把树和小树林或整片森林区分开来。但令人惊讶的是，所有林冠偏离真正分形的方式是如此相似，而且偏差与树木的大小和环境的干燥程度有关。偏差的一致性也让我们了解了如何比较不同生态系统的复杂性。大多数生态系统，如森林，都会达到一个上限--很可能是由其生物的最大体积决定的--超过这个上限，其结构就不能再自由变化了。如果我们能确定这些上限，就能开辟出了解非常不同的生物体和系统（珊瑚礁、森林等）如何运作的途径，并检验它们是否可能共享相同的基本组织原则"。

影响和未来研究

现在，研究小组计划对全球范围内更广泛的森林生态系统进行比较，找出森林内外是否存在类似的组织原则，并通过对时间的多次扫描来发现是什么驱动了这些模式。

费舍尔博士总结道："科学中的一个关键问题是自然界是否存在可推广的模式，而分形就是一个很好的候选模式。我们研究的森林并不是分形的，但所有地点的森林在偏离分形方面有明显的相似之处。从理论角度来看，这为我们找到生物学中的一般组织原则指明了方向。但这也有实际意义：如果我们不能从树木了解森林，反之亦然，那么我们就必须在小尺度和大尺度上对森林进行监测，以了解它们如何应对气候变化和人类日益增长的压力"。

编译来源：ScitechDaily