Un nouveau modèle décrit les lois (de mise à l’échelle) de la jungle

Une forêt ressemble à un lobby d’aléatoire, avec des arbres et des plantes dispersés dans une diversité sauvage et capricieuse. Mais les apparences peuvent être trompeuses, selon un trio de chercheurs en complexité du Santa Fe Institute (SFI). Sous cet obvious désordre se cachent des régularités extraordinaires, régies par les mécanismes biologiques qui animent les forces universelles de croissance, de mort et de compétition.

Dans un short article publié le 9 avril dans la revue PNAS, le groupe SFI, dirigé par le programme Postdoctoral Fellow et maintenant le scientifique postdoctoral du Complexity Science Hub Vienna, Eddie Lee, décrit un nouveau cadre qui peut reproduire ces modèles spatiaux et temporels qui émergent dans des lieux et des espaces où les plantes poussent ensemble. Le cadre utilise des outils informatiques et statistiques pour relier les principes métaboliques, qui contrôlent la façon dont un organisme individuel vit et prospère, aux divers arrangements d’arbres, d’arbustes et d’autres végétaux facilement observables dans les paysages, les forêts et au-delà.

« Cet article va un extended chemin en montrant comment des choses qui semblent arbitraires et capricieuses peuvent en fait être comprises dans un cadre mathématique », déclare Geoffrey West, professeur distingué SFI et ancien président, qui a collaboré avec Lee et Chris Kempes, professeur SFI, sur le modèle.

Les scientifiques recherchent depuis longtemps des lois mathématiques reliant les modèles similaires qui émergent à grande et petite échelle de l’existence. « Si vous regardez la structure microscopique de la vie multicellulaire, vous voyez beaucoup des mêmes modèles se jouer », dit Lee. Le taux métabolique d’un organisme fit une loi d’échelle de puissance avec sa masse, par exemple. Les tentatives précédentes pour établir de telles lois mathématiques pour l’assemblage des plantes dans une forêt ont été une resource de vifs débats.

Dans des travaux antérieurs, West et d’autres ont développé des modèles qui commencent par les contraintes métaboliques sur un seul arbre optimisé pour faire des prédictions sur les modèles qui pourraient émerger dans une communauté de tels arbres. Le modèle a montré avec précision comment des caractéristiques telles que le taux de croissance ou la taille de la canopée pouvaient changer avec la taille de la plante – et remark ces caractéristiques pourraient affecter la concurrence avec d’autres organismes ou modifier la construction de la forêt entière.

Kempes dit que ce modèle idéalisé a ouvert la voie à la connexion de principes biologiques tels que le métabolisme à des modèles mathématiques au niveau macro, mais au fil du temps, les chercheurs ont commencé à se concentrer sur la façon dont les conditions du monde réel diffèrent en détail de ce modèle. Cependant, tous les arbres ou populations ne suivent pas les règles optimales, ce qui a conduit des chercheurs comme Lee à étudier de nouvelles façons de généraliser les principes fondamentaux.

« Que se passe-t-il lorsque cette loi de mise à l’échelle diffère pour les espèces individuelles ou pour différents contextes ? Comment cela fonctionne-t-il ? » dit Kempes. « Remark tout cela s’accorde-t-il ? »

Le nouveau modèle étend les idées essentielles des travaux précédents sur la façon de mettre en location un modèle éclairé par les principes biologiques de la croissance, de la mort et de la concurrence des ressources, mais il permet également à un utilisateur de généraliser ces idées à un large éventail d’espèces et de scenarios, dit Kempes. Un utilisateur peut assouplir certaines hypothèses sur les allométries des arbres – relations entre la taille et la forme – ou incorporer des idées sur la façon dont les arbres interagissent avec d’autres organismes, comme les termites.

En tournant ces « boutons » sur la simulation, dit Lee, les chercheurs peuvent reproduire additionally fidèlement les diverses façons dont les forêts s’écartent du modèle idéalisé. Ils peuvent aussi clairement relier les principes biologiques au niveau de l’organisme à la façon dont la framework forestière se joue à additionally grande échelle.

West dit que la nouvelle approche révélera non seulement des lois d’échelle qui étaient auparavant passées inaperçues, mais mettra également en lumière de nouveaux domaines d’enquête. « L’un des avantages d’avoir un modèle analytique de ce variety est qu’il indique où les données manquent, ou où les données sont pauvres », dit-il, « et le genre de choses que les gens devraient mesurer ».

Le modèle montre également remark une approche inspirée de la physique – qui se concentre souvent sur des scenarios idéalisées – peut contribuer à faire progresser la compréhension de la complexité biologique. « Il y a cette merveilleuse conversation entre les champs », dit West.