圣达菲研究所 新的研究在固着生物中发现了隐藏的秩序，从干旱的草原到有树冠的雨林
荣誉:梅萨·舒马赫，圣达菲学院 森林看起来像一个随机的温床，树木和植物分散在野生和多变的多样性中
但是圣达菲研究所(SFI)的三位复杂性研究人员说，外表可能具有欺骗性
在这种明显的混乱之下，隐藏着非凡的规律，由驱动生长、死亡和竞争的普遍力量的生物机制所控制
在4月9日发表在《PNAS》杂志上的一篇论文中，由项目博士后研究员、现复杂性科学中心维也纳博士后科学家艾迪·李领导的SFI小组描述了一个新的框架，该框架可以重现植物在一起生长的地方和空间出现的时空模式
该框架使用计算和统计工具将控制个体有机体如何生存和繁衍的代谢原理与树木、灌木和其他在景观、森林和其他地方容易观察到的植被的不同排列联系起来
“这篇论文在展示如何在一个数学框架内理解那些看起来武断和反复无常的事物方面做了大量工作，”SFI杰出山南教授和前总统杰弗里·韦斯特说，他与李和SFI教授克里斯·肯普斯在这个模型上进行了合作
科学家们长期以来一直在寻找数学规律，将大规模和小规模存在的相似模式联系起来
“如果你观察多细胞生命的微观结构，你会看到许多相同的模式出现，”李说
例如，生物体的新陈代谢率随其质量遵循幂律
以前试图为森林中的植物集合建立这样的数学定律，这引起了激烈的争论
在以前的工作中，韦斯特和其他人已经开发了一些模型，这些模型从单一的、优化的树的代谢约束开始，对这些树的群落中可能出现的模式进行预测
该模型准确地显示了生长速度或树冠大小等特征如何随植物大小而变化，以及这些特征如何影响与其他生物的竞争或改变整个森林的结构
坎普斯说，这个理想化的模型为将新陈代谢等生物学原理与数学、宏观模式联系起来铺平了道路，但随着时间的推移，研究人员开始关注现实世界的情况与该模型在细节上有何不同
然而，并不是每一棵树或每一个种群都遵循最优规则，导致像李这样的研究人员研究新的方法来概括核心原则
“当尺度定律因个体物种或不同环境而偏离时，会发生什么？这是怎么回事？”坎普斯说
“那些都是怎么拼在一起的？” 坎普斯说，新模型扩展了早期工作的基本思想，即如何根据生长、死亡和资源竞争的生物学原理建立模型，但它也允许用户将这些思想推广到广泛的物种和情况
用户可以放宽对树木异速生长的某些假设——大小和形状之间的关系——或者结合树木如何与白蚁等其他生物相互作用的想法
李说，通过转动模拟中的这些“旋钮”，研究人员可以更接近地重现森林偏离理想化模型的不同方式
他们还可以清楚地将生物体层面的生物学原理与森林结构在更大范围内的表现联系起来
韦斯特说，新的方法不仅将揭示以前未被注意到的标度律，还将照亮新的研究领域
“拥有这种分析模型的一大好处是，它指出了哪里缺少数据，或者哪里数据很差，”他说，“以及人们应该衡量的东西的种类
" 该模型还展示了一种受物理学启发的方法——通常侧重于理想化的情况——如何有助于理解生物复杂性的进展
“这些领域之间有着奇妙的相互作用，”韦斯特说
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