达·芬奇错了——科学家反驳“树的规则”

一项新的研究表明，列奥纳多·达·芬奇的“树木法则”，以前被科学界用来模拟树木的功能，并不准确地描述树木的内部血管结构。研究表明，这一规律与树木维管系统的不一致可能解释了为什么较大的树木更容易受到干旱和气候变化的影响。

列奥纳多·达·芬奇绘制树木的“树木法则”在很大程度上被科学用来建模树木及其功能。

现在，来自英国班戈大学和瑞典农业科学大学(SLU)的研究人员发现，这一规则与调节树木内部结构的规则相矛盾。

达芬奇对绘画的兴趣促使他观察不同物体的大小比例，包括树木，这样他就能更准确地描绘它们。为了正确地表示树木，他发现了一个所谓的“树木法则”，即“一棵树在其高度的每一阶段的所有树枝加在一起的厚度都等于树干的厚度。”

树在Gein-月亮升起由皮特·蒙德里安(绘画)。图片来源:Piet Mondrian，公有领域，通过维基共享资源

人们曾认为，列奥纳多的“树木法则”也可以应用于在树木中运输水的血管通道，随着树枝变窄，单个通道的大小以相同的比例减少，而树干的体积仍然增加。这个“规则”已经被接受为代谢缩放理论的一部分。

但是来自班戈大学和SLU的科学家在著名的同行评审期刊PNAS上发表的文章表明，当应用于树木的内部维管结构时，这个模型并不完全正确。

液压阻力

为了使水分和营养物质从根部到叶尖有效地在树木中流动，维管系统必须保持“水力阻力”。

班戈大学和SLU的鲁本·瓦尔布埃纳和斯图尔特·索普计算出，要使水力阻力起作用，“树木法则”就不再适用了。

为了有效地将液体从根部输送到叶尖，树木的维管通道需要保持一定的尺寸来维持水力阻力。因此，植物在到达其末端时必须减小其体积，导致毛细与周围植物质量的比例更高。

达·芬奇，约1500年。来源:达芬奇，CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

正如鲁本·瓦尔布埃纳博士(班戈大学名誉教授，现为SLU教授)所解释的那样，“虽然这对艺术家来说是一个很好的‘建议’，这也是达芬奇的本意，但莱昂纳多的树的规则在微观层面上并不成立。”我们相信我们的计算进一步完善了代谢缩放理论，并提高了我们对整个植物系统的理解。我们的重新计算也可以解释为什么大树更容易受到干旱的影响，也可能更容易受到气候变化的影响。”

目前正在班戈大学攻读环境科学博士学位的合著者斯图尔特·索普说:“我们的目标之一是产生一个可以用来估计森林中树木生物量和碳的比率。这个新的比率将有助于计算树木的全球碳捕获量。”

参考文献:s.b.d. Sopp和R. Valbuena撰写的“维管优化决定了植物形态远离莱昂纳多法则”，2023年9月18日，《美国国家科学院院刊》。DOI: 10.1073 / pnas.2215047120