Протягом століть винахідник, науковець і художник Леонардо да Вінчі славився своїми точними, пропорційними малюнками та вигадливими проєктами. Він зрозумів подібність гравітації до прискорення ще за століття до Ньютона, а його роботи були геніальними за своєю перспективою та геометрією.
Але при ближчому розгляді виявляється, що одне з правил, яке да Вінчі винайшов, щоб пояснити, як ростуть дерева, не завжди збігається з реальністю.
Замальовуючи дерева у своїх блокнотах, да Вінчі стверджував, що товщина гілки дерева, або його стовбура, дорівнює сумарній товщині всіх гілок, які від нього відгалужуються.
Це могло бути гарною порадою для художників-початківців. Згодом вчені довели, що описане да Вінчі співвідношення може пояснити, як дерева не розламуються на вітрі. Але, згідно з новим дослідженням двох вчених-рослинників, це співвідношення не працює на мікроскопічному рівні.
Справедливості заради варто зазначити, що да Вінчі дивився на зовнішню сторону дерев, а не на внутрішню, де вода всмоктується внутрішніми трубками, які називаються ксилемою, коли вода випаровується з листя, що покриває крону.
Однак Стюарта Соппа і Рубена Вальбуена, співавторів нової статті, найбільше цікавив розмір цих каналів відносно оточуючого дерева. Вони хотіли переконатися, що моделі росту дерев мають правильні пропорції, щоб краще зрозуміти сприйнятливість дерев до посухи та їхній внесок у накопичення вуглецю.
“Багато біологічних моделей [дерев] з того часу надихалися правилом Леонардо для моделювання як зовнішніх мереж розгалуження рослин, так і їхніх судинних систем, незважаючи на те, що існує мало доказів того, що це правило діє послідовно”, – пояснюють дослідники в своїй опублікованій статті.
Це не перший випадок, коли “Правило дерев” да Вінчі ставиться під сумнів або переглядається на основі сучасних вимірювань. Лише минулого року дослідники звернули увагу на те, що ширина і довжина гілок краще відображають структуру розгалуження дерев, як струнких, так і кремезних, аніж лише товщина.
Що ж до внутрішньої архітектури дерев, то Сопп і Вальбуена пояснюють, що канали транспортування води в дереві не можуть слідувати тому ж співвідношенню, що й у правилі Леонардо, і звужуються в розмірах, чим далі вгору по дереву, через механіку рідини.
Різні моделі сумарних об’ємів мережі розгалужень, що демонструють, як загальний об’єм мережі (зовнішня форма чорного кольору) і загальний провідний об’єм (внутрішня форма червоного кольору) змінюються зі зміною коефіцієнтів звуження (tR, tr і tl) та швидкості коалесценції (mk і pk). (Сопп та ін., Праці Національної академії наук, 2023)
Натомість Сопп і Вальбуена на основі свого моделювання внутрішньої гідравліки дерев припускають, що судинні канали розширюються в міру того, як гілки стоншуються до верхівок дерев, щоб підтримувати достатню силу, необхідну для підняття води вгору по стовбуру.
Мало того, така модель росту заощаджує кількість вуглецю, що використовується для побудови енергоефективної судинної системи, яка переміщує воду та поживні речовини по дереву від кореня до кінчика листя.
“Однією з наших цілей було отримати співвідношення, яке можна було б використовувати для оцінки біомаси дерев і вуглецю в лісах”, – каже Сопп, аспірантка кафедри екології Бангорського університету в Уельсі. “Це нове співвідношення допоможе розрахувати глобальне поглинання вуглецю деревами”.
Дослідники також стверджують, що їхня переглянута модель уточнює провідну теорію, яка називається теорією метаболічного масштабування, що передбачає, як висота, біомаса, діаметр і площа листя рослин збільшуються зі збільшенням їхнього розміру, і покращує наше розуміння рослинних систем в цілому.
“Наші перерахунки можуть також пояснити, чому великі дерева більш чутливі до посухи, а також можуть бути більш вразливими до зміни клімату”, – додає Вальбуена, вчений-рослинник зі Шведського університету сільськогосподарських наук.
Судячи з того, як довго обговорювалася сама теорія метаболічного масштабування, і багато лісів відхилялися від її прогнозів, ми можемо очікувати, що модель Соппа і Вальбуена буде так само ретельно вивчатися. Але зусилля, які наближають нас до розуміння вразливості дерев до посухи та інших екстремальних кліматичних явищ, безсумнівно, є корисними.
Обидва дослідники сподіваються, що їхні висновки стануть каталізатором подальших досліджень для отримання даних від дерев для перевірки їхніх прогнозів, в той час як вони продовжують вдосконалювати свої моделі росту рослин.
Дослідження опубліковане в PNAS..
