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Descubren cómo la luz y el viento modelan a los árboles

La luz y el viento son los factores determinantes en la formación de los árboles, ha descubierto un estudio basado en un modelo original que simula la evolución de un bosque durante más de 200.000 años. Las leyes que describen la forma de los árboles son la respuesta a la competición por la luz y a los impactos derivados del viento.

Descubren cómo la luz y el viento modelan a los árboles

La acción conjunta del viento y de la luz explican cómo ha surgido la forma de los árboles a lo largo de la evolución, ha descubierto un estudio cuyos resultados se publican en Nature Communications.

Se ha descubierto a través de un modelo original que simula la evolución de un bosque durante más de 200.000 años. En este modelo se aprecia cómo los árboles compiten entre sí por el acceso a la luz, ajustan su crecimiento en respuesta al viento y sufren las inclemencias del tiempo que pueden partir sus ramas.

En el modelo, la luz y viento seleccionan formas fractales cuya invariancia de escala es similar a la observada por ecólogos e ingenieros forestales sobre los árboles reales,  originando así las formas que adoptan los árboles en su formación. La invariancia de escala es una propiedad de objetos o leyes en los que no hay cambios si la escala de tamaño (o la escala de energía) son multiplicadas por un factor común.

El trabajo es obra de un grupo interdisciplinar de investigadores que reúne a biomecanicistas, ecofisiologistas de los árboles y físicos de sistemas complejos de diferentes instituciones científicas, según se informa en un comunicado.

Últimos conocimientos

Aunaron esfuerzos para simular un mundo virtual en el que los árboles crecen, se reproducen y mueren en períodos de tiempo suficientemente largos como para seguir su evolución. Su propósito era descubrir si las leyes que describen la forma de los árboles podrían haber emergido como respuesta a la competición por la luz y a los peligros derivados del viento.

Los científicos utilizaron los últimos conocimientos sobre las respuestas de las plantas a la luz para construir un modelo de desarrollo del árbol. Los árboles virtuales son capaces de interceptar la luz, de repartir los productos de la fotosíntesis entre órganos, de iniciar el desarrollo de las ramas y de producir las semillas que germinan una vez que caen a la tierra.

Además, el modelo incluye dos descubrimientos recientes: que la localización de las nuevas ramas emergentes depende de la luz recibida y que el crecimiento del diámetro de las ramas es impulsado por las deformaciones del viento.

El modelo también incorpora conocimientos en meteorología y biomecánica para simular el impacto del viento durante las tormentas. Estos procesos se han integrado en un modelo informático innovador que permite cálculos de alto rendimiento sobre la evolución natural de los árboles.

Cientos de islas virtuales

En el modelo, un programa informático (MechaTree) permite sembrar cientos de islas virtuales con granos cuyos parámetros genéticos son aleatorios.  Los árboles germinan, crecen y forman un bosque denso.

Los individuos menos favorecidos genéticamente desaparecen, los demás se reproducen más o menos (selección natural) y finalmente las semillas germinan de nuevo. Ciertas especies dominan la isla y otras desaparecen.

Miles de horas de cálculo más tarde, representando más de 200.000 años de la vida de un bosque, los investigadores han podido estudiar los árboles de las especies supervivientes. Así descubrieron que tanto los bosques como los árboles del modelo presentaban las mismas leyes de escala (que permiten estudiar cómo dependen las propiedades y funciones de los seres vivos según su tamaño) observadas en los árboles reales.

El modelo desarrollado permite precisar los papeles jugados en estos procesos por la luz y el viento. Se percibe que la transparencia del follaje y la competición por la luz son los primeros determinantes de la dimensión fractal del árbol. Y también que la respuesta al viento es lo que determina el diámetro de las ramas.  

Según los investigadores, otros factores han podido influir en la selección natural en la formación de los árboles, como el transporte hidráulico de la savia desde las raíces a las hojas. Este estudio ha demostrado, sin embargo, que el binomio luz-viento desempeña un papel crucial en la formación de los árboles, un descubrimiento que cambia el concepto de ecología forestal, pero también la representación que tenemos de lo que es un árbol y de lo que ha provocado la arquitectura de los árboles actuales.

Hasta ahora, la explicación más aceptada de la formación de los árboles se basaba en dos leyes: una ley de maximización del rendimiento hidráulico en la conducción de savia desde las raíces a las hojas, y una segunda ley de optimización mecánica para evitar colapsar por su propio peso. El nuevo estudio obliga a repensar estas cuestiones. 

Referencia

Wind loads and competition for light sculpt trees into self-similar structures. Nature Communications 8, Article number: 1014 (2017). doi:10.1038/s41467-017-00995-6

RedacciónT21

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