首次科学实证检验“一树一森林”理论

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“一沙一世界”是英国诗人布莱克《天真的预言》中为人传颂的诗句。而美国亚利桑那州大学（UA）生态学和进化生物学系的科学家，在实际研究中提出并验证了“一树一森林”的观点，它指的是：通过一棵树就可以揭示整个森林的“秘密”。
具体而言，研究发现跨物种的树木尽管在外观上存在差异，但有着非常相似的架构，由此一棵树便可以揭示整个森林的状况，特别是通过一棵树大致可测出整个森林与大气交换了多少二氧化碳。该研究结果发表在最新一期的《生态学快报》上。
分枝架构蕴含玄机
据物理学家组织网近日报道，亚利桑那州大学生态学和进化生物学系研究人员发现，无论树的种类、形状如何，只要看一下它的分枝格局，科学家就可以收集到关于它与周围环境关系的信息，比如其与大气交换了多少二氧化碳，或者通过叶子的蒸发失去了多少水分。
该研究对科学家用于评估树木如何影响全球生态系统的模式具有重要的启示，可使科学家改进用于评估和预测整个森林的模型。
研究带头人丽莎·帕特里克·本特利表示，这是第一个以实证检验了1998年由UA生态学教授布赖恩·恩基斯特帮助发展起来的预测。他的理论认为，通过分析树的分枝结构，特别是其宽度和长度，可以预测出其与环境有关的整体大小、独立物种之间交换了多少碳和水分。
     
  
        
研究发现，所有树种有非常相似的分枝格局，不管其在外观上有何差异。例如，即使矮松看起来非常不同于枫树，也有类似的生态、生物和物理的原则，导致了这些物种进化过程中类似的分枝架构。
测试验证了预测
在实际研究中，本特利带领其团队测试了以上预测，对象为5种不同的树种：枫树、橡树、轻木、黄松和矮松。经研究发现该理论是正确的，因为它允许基于树木的大小预测树的功能，并且这个理论的原则适用于跨品种，尽管它们在外观上存在差异。
研究人员还在森林地区收集了9个试样，作为用于研究目的的预留。由本科和研究生组成的研究团队解剖树木到最后的枝杈，计数枝杈的数目、分支点或节点，并且测量了每个分支的长度和直径。
本特利说：“树木的大小和分枝的形状之间有一定的关系。它们在比例内成长。例如，一棵松树具有一般的圆锥内圈形状，而橡树看起来更像一个倒置的锥体。在你认为树木有许多不同的形状时，相当令人惊讶的是，你会发现这些不同外形的树木之间具有相关性。”
证实达芬奇的想法
有趣的是，这项工作还证实了文艺复兴时期博才多学的莱昂纳多·达芬奇曾提出的一个想法——“如果想像将所有树最外侧的分枝放入一个圆筒内，那么该圆筒就是树干的大小”。根据达芬奇的规则，大树主干的横截面积等于分枝树干的横截面积之和。而实验表明，实际树木的分枝模式比理论预测的更加多样化和复杂化。
本特利说：“这个理论假设的分枝模式基于碎形，即相同完美对称的、重复一遍又一遍的“Y”分枝格局，但树木不像这个样子。如果仔细观察属于同一物种而高度相同的两棵树，会看到更多的变化：一个分枝跳转两次，但其“姊妹”可能会分枝三次或四次。”
     
  
        
“当经验理论被测试后，我们得出的结论是，一般来说，该理论是行之有效的，但在某些方面需要进行修改，包括非对称的分枝，以纳入更多物种之间的变化。”本特利说。
这个理论可以应用于一定规模植物的功能，如光合作用的数量、失水量和呼吸量。本特利解释道：“如果你想知道整个森林有多少碳排放，我们的研究可支持这个想法，你只要观察几棵树的性能，其中分别代表最小和最大的量，便可大致弄清楚了。”