Долгое время экологи и математики полагали, что деревья и леса подчиняются одним и тем же фрактальным закономерностям. Крупные ветви напоминают целые деревья, а маленькие — уменьшенные копии больших. Казалось, что этот принцип самоподобия работает и в масштабах целых экосистем. Но новое исследование учёных из Бристольского университета показало, что лес — это не просто "увеличенное дерево", а куда более сложная структура.
В природе фракталы встречаются повсюду — от кровеносных сосудов и рек до снежинок и облаков. Это понятие описывает системы, где часть похожа на целое, а структура повторяется на разных масштабах.
"Фрактальность позволяет классифицировать и количественно оценивать самоподобные структуры, которые мы так часто наблюдаем в природе", — объясняет доктор Фабиан Фишер, ведущий автор исследования.
Учёные отмечают: если вы смотрите на объект и не можете определить его масштаб — ветку ли вы видите или целое дерево, — значит, вы имеете дело с фракталом.
Долгое время считалось, что это свойство можно применить и к лесам: будто бы роща — это просто увеличенное дерево. Но новое исследование опровергло это допущение.
Команда использовала данные лазерного сканирования (LiDAR) с девяти участков Австралийской сети исследований экосистем (TERN). Эти локации сильно различались: от редких, низкорослых сухих лесов в Западной Австралии до 90-метровых влажных лесов Тасмании.
Учёные построили высокоточные карты высот лесных крон и сравнили их с математическими моделями фракталов.
"Мы обнаружили, что кроны деревьев не являются фрактальными, но схожи в том, как именно они отклоняются от фрактальности", — отметил доктор Фишер.
Иными словами, леса не подчиняются фрактальной симметрии, но в их "отклонениях от идеала" есть повторяемость и закономерность.
| Характеристика | Отдельное дерево | Фрактал | Целый лес |
|---|---|---|---|
| Структура | Самоподобна: ветви повторяют форму дерева | Идеально самоподобная | Неполное самоподобие |
| Масштаб | Локальный (один организм) | Математически бесконечный | Многоуровневая экосистема |
| Влияние среды | Минимальное | Отсутствует | Существенное |
| Ограничения | Размер дерева | Не имеет | Зависит от климата и почвы |
Результаты показали, что лесные кроны перестают быть фрактальными из-за влияния окружающей среды — влажности, солнечного света и плотности деревьев. Эти факторы ограничивают рост и создают уникальные комбинации форм, которых нет в математических моделях.
"Хотя можно спутать ветку с целым деревом, обычно легко отличить дерево от рощи или леса", — говорит доктор Фишер.
Учёные также заметили: все леса демонстрируют схожие типы отклонений от фрактальности, и это связано с размерами деревьев и степенью сухости климата.
Сканирование территории — лазерное картирование с воздуха (LiDAR).
Создание 3D-моделей — построение цифровой копии крон и деревьев.
Сравнение с математическими фракталами — анализ самоподобия.
Определение отклонений — измерение разницы между реальными и фрактальными структурами.
Интерпретация данных — поиск закономерностей, зависящих от климата и высоты деревьев.
Ошибка: считать, что принципы фрактальности одинаковы для ветви и леса.
Последствие: упрощённые модели, не отражающие природного разнообразия.
Альтернатива: учитывать экологические и пространственные ограничения.
Ошибка: применять фрактальные модели для прогнозов экосистем.
Последствие: неточные расчёты биомассы и плотности.
Альтернатива: использовать гибридные методы — математику и экологические наблюдения.
Ошибка: рассматривать лес только на уровне отдельных деревьев.
Последствие: непонимание процессов взаимодействия.
Альтернатива: анализировать лес в нескольких масштабах — от ветки до экосистемы.
Исследование показало, что многие экосистемы достигают верхнего предела структурной сложности, определяемого размерами организмов и условиями среды. После этого их структура перестаёт меняться по фрактальным законам.
Это открытие поможет экологам точнее моделировать динамику лесов, коралловых рифов и других систем, где до сих пор использовались избыточно упрощённые модели.
| Аспект | Плюсы | Минусы |
|---|---|---|
| Простота описания | Позволяет анализировать сложные формы | Не учитывает экологические факторы |
| Применимость | Удобна для отдельных растений | Неточна для экосистем |
| Вычислительная эффективность | Быстрая обработка данных | Потеря деталей и контекста |
Почему леса нельзя описать фракталами?
Из-за влияния среды: климат, влажность и взаимодействие деревьев создают уникальные структуры.
Что нового узнали учёные?
Леса разных типов отклоняются от фрактальности одинаковым образом, что говорит о существовании универсальных природных закономерностей.
Как это поможет науке?
Позволит точнее прогнозировать, как леса реагируют на изменение климата и антропогенные факторы.
Миф: лес — это просто большое дерево.
Правда: лес — сложная экосистема с собственной динамикой, отличной от строения дерева.
Миф: фракталы описывают все природные формы.
Правда: фрактальные закономерности ограничены масштабом и не работают в больших системах.
Миф: фрактальность делает всё в природе одинаковым.
Правда: даже отклонения от фрактальности подчиняются своим законам.
1970-е годы: Бенуа Мандельброт вводит термин "фрактал".
1990-е: фрактальные модели начинают применять в экологии.
2025 год: исследование Бристольского университета уточняет пределы применимости фрактальности.
Учёные проанализировали данные девяти экосистем Австралии.
Ни один лес не оказался идеально фрактальным, но все демонстрировали схожие отклонения.
Работа опубликована в Journal of Ecology и открывает новый подход к изучению природных закономерностей.
Лес — не просто математическая структура, а живая система, где действуют свои пределы и законы. Поняв, где заканчивается математика и начинается экология, учёные смогут точнее предсказать, как природа ответит на вызовы будущего.