Скрытый порядок в засушливых экосистемах Земли

Учёные обнаружили «скрытый порядок» в засушливых районах планеты, где растения следуют принципам неупорядоченной гипероднородности — схеме, которая кажется случайной и неорганизованной с близкого расстояния, но наполняется чётким паттерном при взгляде с высоты.

Эти результаты объясняют такие явления, как «тигровые заросли» в Западной Африке, где полосы растений напоминают тигриные полосы с высоты, или «сказочные круги» в Намибии, которые выглядят как пятна издалека, но на самом деле являются группами растений. Эти растения самоорганизованы таким образом, что помогают им справляться с засухой и функционировать в экстремальных условиях.

«Это было настоящим сюрпризом,» — сказал соавтор исследования Куан-Син Лю, математик из Шанхайского университета Цзяо Тун. «Мы ожидали найти либо совершенно случайное распределение, либо регулярный, сгруппированный рисунок… Вместо этого мы обнаружили идеальный неупорядоченный гипероднородный паттерн — форму скрытого порядка, которую никто ранее не распознавал в растительных сообществах.»

В новом исследовании, опубликованном 7 октября в журнале PNAS, учёные проанализировали спутниковые изображения более 400 засушливых регионов по всему миру и математически исследовали пространственные паттерны растений в этих ландшафтах. Они выяснили, что, хотя распределение растений может показаться беспорядочным на земле, с высоты 10% засушливых районов следуют гипероднородному паттерну — что указывает на то, что это явление не является редкостью, а распространено в большинстве сухих экосистем.

Этот паттерн, вероятно, является результатом интенсивной конкуренции за ограниченные ресурсы. Устраиваясь таким образом, растения могут выживать в условиях недостатка воды. Если они слишком близко друг к другу, индивидуальные растения будут конкурировать за воду, в то время как слишком большое расстояние оставит промежутки, что позволит другим видам растений вторгнуться. Поэтому этот паттерн обеспечивает необходимый баланс для сухой экосистемы.

Со временем растительность медленно организует свой состав в состояние неупорядоченной гипероднородности, сформированное этим балансом. «Это блестящая, возникающая стратегия, чтобы максимизировать использование ресурсов и минимизировать конфликт между конкурентами для всего сообщества,» — добавил Лю.

Теперь команда Лю планирует исследовать скрытые порядки в других экстримальных экосистемах, включая объекты за пределами Земли. Анализируя изображения ровера NASA Curiosity на кратере на Марсе, они обнаружили, что скопления гальки на песке показывают ту же неупорядоченную гипероднородность, что и наземные растения, движимую не биологическими, а физическими силами, такими как ветер, движение песка и гравитация.

«То, что один и тот же геометрический принцип встречается в таких различных системах, предполагает, что неупорядоченная гипероднородность является универсальным решением для задачи упаковки и эффективности в условиях ограниченных ресурсов,» — отметил Лю, «независимо от того, являются ли ‘частицами’ растения, галька или клетки.»