Matematikai séta az erdőben
Arnaud Person, Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay - Párizs-Saclay Egyetem
Gondoljon vissza az erdei túráira, amikor még sétálhatott az erdőben, amíg a vírus körül nem volt. Biztosan találkozott különböző fafajokkal: tölgy, gyertyán, bükk, fenyő stb. Olyan sok faj, amelyek azonos környezetben élnek.
Ha természetesen arra gondolt, hogy jól érezze magát, az erdő matematikusa más jellegű kérdéseket tesz fel magának. Meg tudom-e mérni az erdőkben meglévő sokszínűséget? Felépíthetek egy matematikai modellt, amely megjósolja annak alakulását? Van-e szerepe a véletlennek a biológiai sokféleség fenntartásában? ?
Vajon a sokszínűség véletlenül vagy a környezet összetettségével magyarázható-e? ?
Ezek a kérdések nem új keletűek. Két elmélet létezik az erdők sokszínűségének magyarázatára. Az első elmélet, amelyet „fülkéknek” hívnak, célja a fajok élőhely szerinti megoszlásának magyarázata. Például, ha egy erdőben több tölgyet észlel, mint gyertyánt, ez az elmélet azt sugallja, hogy ennek oka van: oka lehet a talaj savassága, a telek kitettsége stb.
A „semleges” elméletnek nevezett második elmélet a fajok véletlenszerű megoszlását magyarázza: ha itt valamivel több tölgy van, mint gyertyán, akkor az a véletlennek köszönhető - ugyanúgy lehet fordítva. Ez a két elmélet mindegyike meggyőző érveket támaszt a mellettük. Például főleg a tűlevelűekkel találkozunk a magas hegyekben, és nem véletlen: csak ők képesek ilyen körülmények között élni. Ezt mondja a réselmélet. Másrészt a síkságon, ahol az éghajlat toleránsabb, sok faj azonos környezettel rendelkezik. Szinte ugyanazok a követelmények, eloszlásuk elsősorban a véletlennek köszönhető, és a semleges elméletnek teljesen értelme van.
Ma matematikai modelleket építünk, amelyek figyelembe veszik ezt a két elméletet - itt bemutatok neked egyet.
Az erdő sokszínűségének mérése annak jobb megértése érdekében
A séta kellemes módja az erdők sokszínűségének megvalósítására. Hasznos az is, ha számszerűsíteni tudjuk. Ehhez úgy döntünk, hogy a Simpson index segítségével mérjük a sokféleséget. Ez az index annak a valószínűségnek felel meg, hogy az erdőben két, véletlenszerűen kiválasztott fa nem azonos fajból származik. Ez a valószínűség olyan szám, amely nagyságrendet ad a fajok sokféleségének az adott környezetben.
Vegyünk két szélső esetet, amelyek szemléltetik ennek az indexnek a relevanciáját. Minimális sokféleség esetén, azaz olyan erdőben, ahol csak egy fafaj van, például a magas hegyekben vagy bizonyos erdei ültetvényekben, annak a valószínűsége, hogy két véletlenszerűen vett egyed különböző fajokból áll, akkor 0, mivel szükségszerűen ugyanaz a faj. Ezzel szemben a sokféleség maximuma megfelelne egy olyan erdőnek, amelyben minden egyed más fajból származik. Az indexünk pedig 1 lenne, mivel 100% esélye lenne két különböző fajba tartozó egyed megszerzésére.
Modellezze az erdő fejlődését több száz év alatt
A globális felmelegedés jelentős hatással van az erdőkre, különösen azért, mert rendkívül gyors és a fajoknak nincs idejük alkalmazkodni. A fajok eltűnnek bizonyos környezetekből, mások kárára, amelyek jobban alkalmazkodnak az új éghajlati viszonyokhoz. Egy adott környezet esetében mi lesz a biológiai sokféleséggel ?
Erdőink jövője tehát aggasztó kérdés: elszegényedik-e a sokszínűség a következő években? Ha igen, számszerűsíthetjük-e ezt az esést ?
Ezek a kérdések a tudósokat, de az erdészeket és az erdőbe befektető egyéneket is érdeklik, és szeretnék tudni, hogy a ma ültetett fajok alkalmazkodnak-e a jövő éghajlatához ...