О растительных узорах и хороших моделях

Василий Птушенко, А. Базыкина
«Квант» №7, 2018

На 4-й странице обложки восьмого номера «Кванта» за прошлый год была помещена фотография незамысловатого узора, образованного мхом под дощатой скамейкой. В сопроводительном тексте было упомянуто, что причиной его появления могут быть разные факторы: доступность света, влаги и эффект вытаптывания. Эта «игрушечная» ситуация на самом деле является хорошей моделью для гораздо более «масштабных» и сложных задач экологии и биогеографии — задач о распространении разных видов растений и животных по регионам Земли. Для каких-то растений область их распространения оказывается ограничена количеством доступной влаги в виде осадков в течение вегетационного периода. Другие приспособились к засушливым условиям за счет глубокой корневой системы или очень короткого периода развития, но требуют определенного температурного режима в течение года. Третьи «привязаны» к распространению своих опылителей или распространителей семян (классический пример — кокосовые пальмы, растущие преимущественно в прибрежных районах и обладающие плодами, которые свободно держатся на воде и далеко разносятся океаническими течениями). Кроме того, большую роль играет конкуренция с другими видами: вспомните, как растения из «теплых краев» прекрасно растут в более высоких широтах в открытом грунте в ботанических садах, где фактор конкуренции исключен.

Рис. 1. Распределение мха под дощатой скамейкой может определяться игрой разных факторов. Фото В. Птушенко

Однако во всех этих случаях область распространения определяется игрой целого ряда причин. И выделить из них главную — так называемый лимитирующий фактор — не всегда возможно. Снова обратимся к примеру, с которого мы начали: к неравномерному росту мха под скамейкой (рис. 1). Как можно было бы определить, что здесь является лимитирующим фактором для роста мха: свет или влага?

Можно было бы в течение лета наблюдать за этим участком земли, систематически измерять световой поток, попадающий в разные его части, и определять влажность почвы. Потом усреднить все данные, получить «карты» распределения освещенности и влажности и сопоставить их с «картой» роста мха. Это будет наблюдательное исследование — наиболее осторожное, т.е. минимально влияющее на исследуемую систему, но в то же время трудоемкое и не всегда дающее возможность однозначной интерпретации.

Можно выполнить экспериментальное исследование: поставить около скамейки осветители, создающие в течение дня равномерное освещение всего пространства под ней, но не мешающие попаданию на землю воды через щели между досками во время дождя. Или, наоборот, равномерно увлажнять землю под скамейкой, не меняя условия света и тени, и наблюдать, как при этом изменится рисунок, образуемый мхом.

Но даже тщательно выполнив подобные исследования, вы можете не получить однозначного ответа. Представьте, например, что принципиальным для роста растительности является определенный диапазон влажности почвы. Причем эта влажность определяется не проникновением влаги под скамейку через щели в ней во время дождя, а проникновением через те же щели солнечного света, который высушивает почву (а в тени она остается более влажной). И тогда распределение влаги под скамейкой будет определяться... рисунком света и тени!

Рис. 2. Ступеньки набережной, спускающиеся к воде и заросшие плотным ковром водорослей, не только прекрасная картина, но и хорошая модель. Фото А. Базыкиной

Подобные проблемы в реальных исследованиях встречаются довольно часто. Они не обязательно делают задачу неразрешимой, но могут сильно затруднить ее решение. И потому всегда особенно ценны те экспериментальные модели, которые позволяют увидеть ясное, недвусмысленное решение. Фотография, приведенная здесь на рисунке 2 и на 4-й странице обложки этого номера журнала, дает пример именно такой удачной модели растительного сообщества, находящегося в диапазоне меняющихся условий роста. Ступеньки венецианской набережной, спускающиеся к воде, заросли плотным зеленым «ковром». Очевидно, что освещенность всех ступенек практически одинакова, но от ступеньки к ступеньке меняется количество попадающей на нее влаги: более нижние регулярно окатываются волнами, а до более верхних могут долетать лишь брызги. На фотографии хорошо видно, как постепенно убывает плотность растительности по мере продвижения вверх по ступенькам. При желании даже можно определить оптимальное для роста увлажнение. Правда, и здесь можно заподозрить игру разных факторов — например (наряду с увлажнением), ударов волн, смывающих водоросли со ступеней. Таким образом, наблюдаемая нами картина все же несколько сложнее, чем может показаться на первый взгляд, и определяется не одним, а, как минимум, двумя факторами. Однако у каждого фактора есть своя «зона ответственности»: один из них (увлажнение) определяет верхнюю границу распространения, а второй (волнение) — нижнюю. Совсем как в настоящей биогеографии! Поистине хорошая модель.

Однако, перефразируя известное выражение о верной и красивой теории, можно сказать, что хорошая модель всегда еще и красива! И, глядя на ступеньки венецианской набережной, с этим трудно не согласиться.