Die Studie findet keine Hinweise auf eine fraktale Skalierung in den Baumkronenoberflächen verschiedener Waldtypen

Die Komplexität von Wäldern lässt sich laut einer Studie nicht durch einfache mathematische Regeln erklären. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Art und Weise, wie Bäume zusammenwachsen, nicht mit dem Wachstum von Ästen an einem einzelnen Baum vergleichbar ist.

Die Natur ist voller überraschender Wiederholungen. Bei Bäumen sehen die großen Äste oft wie ganze Bäume aus, während kleinere Äste und Zweige wie die größeren Äste aussehen, aus denen sie wachsen. Bei isolierter Betrachtung könnte jeder Teil des Baumes für eine Miniaturversion seiner selbst gehalten werden.

Lange wurde angenommen, dass diese Eigenschaft, Fraktalität genannt, auch für ganze Wälder gilt. Forscher der Universität Bristol haben jedoch herausgefunden, dass dies nicht der Fall ist.

Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift für Ökologiewiderlegt Behauptungen, dass die Selbstähnlichkeit, die innerhalb einzelner Bäume beobachtet wird, auf ganze Waldkronen und Landschaften ausgedehnt werden kann.

Hauptautor Dr. Fabian Fischer sagte: „Fraktalität kommt in vielen natürlichen Systemen vor. Verkehrsnetze wie Arterien oder Flüsse zeigen oft Selbstähnlichkeit in der Art und Weise, wie sie sich verzweigen, und viele organische Strukturen wie Bäume, Farne oder Brokkoli sind es auch.“ aus Teilen zusammengesetzt, die wie ein Ganzes aussehen.

„Fraktalität bietet eine Möglichkeit, diese selbstähnlichen Muster, die wir so oft in der Natur beobachten, zu kategorisieren und zu quantifizieren, und es wurde angenommen, dass es sich um eine neu entstehende Eigenschaft handelt, die vielen natürlichen Systemen gemeinsam ist.“

„Wenn man sich ein Bild von etwas ansieht und nicht genau bestimmen kann, wie groß es ist, ist das intuitiv ein guter Indikator für Fraktalität. Ist das zum Beispiel ein großer Berg vor mir oder nur ein kleiner Felsen? Wie ein Berg? Ist es ein Ast oder ein ganzer Baum?

„Wissenschaftlich gesehen hat diese Selbstähnlichkeit die attraktive Eigenschaft, dass sie es ermöglicht, ein scheinbar komplexes Objekt mithilfe einiger sehr einfacher Regeln und Zahlen zu beschreiben.“

Wenn sich die Selbstähnlichkeit von den kleinen Zweigen eines einzelnen Baums auf ganze Waldökosysteme erstrecken würde, würde dies Ökologen helfen, komplexe Landschaften auf viel einfachere Weise zu beschreiben und möglicherweise die Komplexität sehr unterschiedlicher Ökosysteme wie Korallenriffe und Waldkronen direkt zu vergleichen.

Um die Idee zu testen, dass sich Waldkronen wie Fraktale verhalten, nutzte das Team luftgestützte Laserscandaten von neun Standorten im australischen Terrestrial Ecosystem Research Network (TERN). Diese Standorte erstrecken sich über ein großes Niederschlagsgefälle und variieren enorm in ihrer Struktur: von spärlichen und kurzen Trockenwäldern in Westaustralien bis zu hoch aufragenden, 90 m hohen Ebereschenwäldern in Tasmanien.

Aus jedem Laserscan leiteten sie hochauflösende Waldhöhenkarten ab und verglichen diese mit der Darstellung der Waldhöhen, wenn die Wälder fraktaler Natur wären.

Dr. Fischer sagte: „Wir haben herausgefunden, dass Waldkronen nicht fraktal sind, aber sie weichen sehr ähnlich von der Fraktalität ab, unabhängig davon, in welchem ​​Ökosystem sie sich befinden.“

„Dass sie nicht fraktal sind, macht sehr viel Sinn und war von Anfang an unsere Hypothese. Während es möglich sein könnte, einen Ast mit einem ganzen Baum zu verwechseln, ist es normalerweise einfach, Bäume von einem Baumhain oder von einem ganzen Wald zu unterscheiden.“

„Aber es war überraschend, wie ähnlich alle Baumkronen in der Art und Weise waren, wie sie von echten Fraktalen abwichen, und wie Abweichungen mit der Größe der Bäume und der Trockenheit ihrer Umgebung zusammenhingen.“

„Die Konsistenz der Abweichungen gab uns auch eine Vorstellung davon, wie wir die Komplexität verschiedener Ökosysteme vergleichen können. Die meisten Ökosysteme, wie zum Beispiel Wälder, werden an eine Obergrenze stoßen – höchstwahrscheinlich bestimmt durch die maximale Größe ihrer Organismen –, jenseits derer ihre Struktur nicht mehr frei variieren kann.“ .

„Wenn wir diese Obergrenzen bestimmen könnten, könnte dies Wege eröffnen, um zu verstehen, wie sehr unterschiedliche Organismen und Systeme (Korallenriffe, Wälder usw.) funktionieren, und um zu testen, ob sie möglicherweise dieselben grundlegenden Organisationsprinzipien haben.“

Nun plant das Team, ein noch breiteres Spektrum von Waldökosystemen auf der ganzen Welt zu vergleichen, herauszufinden, ob es in Wäldern und darüber hinaus ähnliche Organisationsprinzipien gibt, und herauszufinden, was diese Muster antreibt, indem es sich mehrere Scans im Laufe der Zeit ansieht.

Dr. Fischer kam zu dem Schluss: „Eine zentrale Frage in der Wissenschaft ist, ob es in der Natur verallgemeinerbare Muster gibt, und ein hervorragender Kandidat dafür ist die Fraktalität.“

„Die von uns untersuchten Wälder waren nicht fraktal, aber es gab an allen Standorten deutliche Ähnlichkeiten darin, wie sie von der Fraktalität abwichen. Aus theoretischer Sicht weist dies den Weg zu einem Rahmen für die Suche nach allgemeinen Organisationsprinzipien in der Biologie.“

„Aber das hat auch praktische Auswirkungen: Wenn wir den Wald nicht von seinen Bäumen aus verstehen können und umgekehrt, müssen wir Wälder sowohl im kleinen als auch im großen Maßstab beobachten, um zu verstehen, wie sie auf klimatische Veränderungen und den wachsenden menschlichen Druck reagieren.“