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Árboles en invierno. © Inra, Hervé Cochard

La luz y el viento dan forma a los árboles

Comprender la forma de los árboles era el objetivo de un grupo de investigación interdisciplinar formado por la Escuela Central de Marsella, el INRA, AgroParisTech, el CNRS y la Universidad de Aix-Marsella1. Para ello, han desarrollado un modelo original que simula la evolución de un bosque desde hace más de 200 000 años. Los árboles que crecen en este bosque virtual compiten por el acceso a la luz, ajustan su crecimiento en respuesta al viento y son sometidos a tormentas que pueden romper sus ramas. La luz y el viento seleccionan formas fractales cuyas invariancias de escala son similares a las observadas por los ecólogos y silvicultores en los árboles. Así, la acción conjunta del viento y la luz puede explicar cómo fue surgiendo la forma de los árboles a lo largo de la evolución. Estos resultados fueron publicados el 18 de octubre de 2017 en Nature Communications.

Actualización: 31/01/2018
Publicación: 18/10/2017
Palabras clave: árbol - bosque - crecimiento

Un grupo interdisciplinario de investigadores formado por biomecánicos y ecofisiólogos forestales del INRA y AgroParisTech y físicos de sistemas complejos de la Escuela Central de Marsella y del CNRS se han propuesto simular un mundo virtual en el que los árboles crecen, se reproducen y mueren a lo largo del tiempo, haciendo posible un seguimiento de su evolución darwiniana. Luego han utilizado ese modelo para probar una hipótesis audaz: ¿y si las leyes que definen la forma de los árboles hubieran surgido en respuesta a la competición por la luz y los peligros del viento?

Un árbol virtual fruto de los conocimientos más actuales

Estos científicos han utilizado los conocimientos más recientes sobre las respuestas de las plantas a la luz y el viento para construir un modelo de desarrollo de árbol. Los árboles virtuales son capaces de interceptar la luz, distribuir los productos de la fotosíntesis entre los órganos, iniciar ramas, así como producir semillas que germinan tras caer al suelo. Además, ese modelo incorpora dos descubrimientos recientes: la ubicación de las nuevas ramas que brotan depende de la luz recibida en cada rama y el crecimiento del diámetro de las ramas se regula por la percepción de las deformaciones frente al viento, un fenómeno denominado thigmomorfogénesis, que controla en gran medida la producción de madera en nuestros climas. Dicho modelo también incorpora conocimientos meteorológicos y biomecánicos con el fin de simular las roturas provocadas por el viento durante las tormentas. Estos procesos se han integrado en un innovador modelo informático que permite realizar cálculos de alto rendimiento.

Islas, semillas, selección natural... y miles de horas de cálculos

Programa MechaTree. © Centrale Marseille, C. Eloy
Programa MechaTree © Centrale Marseille, C. Eloy
No quedaba más que sembrar semillas virtuales y dejar que la selección natural hiciera su trabajo. Pero, ¿cómo se puede tener en cuenta la variabilidad genética? Todos los procesos del árbol virtual dependen de parámetros cuantitativos que describen la sensibilidad a la luz, al viento o las prioridades en la distribución de los productos de la fotosíntesis. Estos parámetros pueden ser interpretados como genes del árbol. Basta entonces imaginar que sus valores pueden variar de generación en generación por mutaciones genéticas aleatorias. A continuación se simula la evolución en una isla virtual, bañada por el sol y el viento. ¿Y por qué una isla? Porque se puede suponer que está aislada y no llegan semillas ni polen de otros lugares, así como porque los estudios de ecología evolutiva han demostrado que las islas hacen posible una rápida selección.
  
De este modo, el programa informático, llamado MechaTree, permite sembrar cientos de islas virtuales con semillas cuyos parámetros son aleatorios. Los árboles germinan, crecen y se desarrolla un denso bosque. Los individuos genéticamente menos favorecidos desaparecen, mediante el autoaclareo o las roturas por las tormentas, mientras que los demás se reproducen más o menos, gracias a la selección natural (virtual, en este caso). Luego las semillas vuelven a germinar, algunas especies dominan la isla, al tiempo que a veces otras desaparecen.
  
Miles de horas de cálculo después, que representan casi 200 000 años de la vida de un bosque, los investigadores pudieron estudiar los árboles de las especies sobrevivientes. Y entonces se depararon con un gran descubrimiento: esos bosques y esos árboles presentaban todas las leyes de escala observadas en los árboles: la ley del autoaclareo, la dimensión fractal, las alometrías del tamaño con el diámetro... ¡y hasta la famosa ley de Leonardo da Vinci!

  Selección natural por el par viento-luz... y algo más

¿Qué se puede concluir sobre la selección de la forma de los árboles? El modelo desarrollado permite determinar el papel que desempeñan la luz y el viento. Parece que la transparencia del follaje y la competición por la luz son los primeros determinantes de la dimensión fractal del árbol. Por su parte, la respuesta al viento, la thigmomorfogénesis, controla la evolución del diámetro de las ramas y la emergencia del tronco y de las ramas principales.
  
Según los investigadores, otros factores pueden haber desempeñado un papel en la selección natural, como el transporte hidráulico de la savia. Incluso es probable que, dependiendo del ambiente en el que la especie haya evolucionado, la principal presión selectiva se debiera a la conducción de la savia o la resistencia al viento. Sin embargo, este estudio ha demostrado que el par viento-luz desempeña un papel crucial en la forma de los árboles, un descubrimiento que cambia el panorama de la ecología forestal y nuestras representaciones acerca de qué es un árbol y qué ha hecho que los árboles sean tal como son hoy.

* Las invariancias de escala en los árboles

 
Los árboles pertenecen a grupos filogenéticos diversos y parece que la forma arborescente hubiera sido inventada varias veces a lo largo de la evolución. ¿Qué características de forma son comunes en los árboles actuales? ¿Y cómo surgieron tales características? Esas preguntas se han planteado desde siempre.
  
Leonardo da Vinci (c. 1478-1518) ya había notado que en los árboles la suma de las secciones de las ramas de un tronco es igual a la sección del tronco. Posteriormente, con el advenimiento de los fractales, fue posible mostrar que los árboles se fueron estructurando de manera autosimilar, con una dimensión fractal de alrededor de 2,5. A la vez, los silvicultores y ecólogos identificaron unas leyes de escala denominadas alométricas en las poblaciones de árboles, las cuales relacionan, por ejemplo, la masa media de individuos y el número de individuos por hectárea (ley de autoaclareo) o la altura del árbol y el diámetro del tronco. Se habla de alometría cuando dos magnitudes, x e y, están unidas por una ley de potencia del tipo y = k xa. Finalmente, a nivel del árbol, se podían observar patrones de ahusamiento del diámetro del eje muy extendidos.
  
Pero, ¿qué podría explicar todas estas leyes empíricas? Hasta ahora, la explicación más comúnmente aceptada era que la forma de los árboles se debía a dos leyes: una ley de maximización del rendimiento hidráulico en la conducción de la savia de las raíces a las hojas y una ley de máxima expansión longitudinal para evitar colapsar por su propio peso (pandeo). Pero esta explicación presenta debilidades. En primer lugar, es estática: ¿qué hacen los árboles para cumplir esas leyes a lo largo de su crecimiento? Para eso no ofrece respuesta. Además, tampoco dice nada sobre cómo la evolución ha podido seleccionar esas funciones óptimas. Por último, descuida dos factores tan fundamentales para las plantas terrestres como la conducción del agua o el pandeo: la competición por la luz y la resistencia al viento. Y este nuevo estudio permite aclarar esos diversos aspectos.

 

1 Los investigadores de este grupo interdisciplinario pertenecen a las siguientes unidades: Instituto de Investigación sobre Fenómenos de No Equilibrio (IRPHE) (Universidad Aix-Marsella-CNRS-Escuela Central de Marsella), Laboratorio de Investigación Forestal y Maderero (LERFoB) (INRA-AgroParisTech) y Física y Fisiología Integrativas del Árbol en un Entorno Fluctuante (PIAF) (INRA- Universidad Clermont-Auvergne).

Contacto
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Servicio de prensa del INRA (33 1 42 75 91 86)
Departamento asociado:
Environment and Agronomy, Forest, Grassland and Freshwater Ecology
Centro asociado:
Auvergne-Rhône-Alpes

Referencia

Christophe Eloy, Meriem Fournier, André Lacointe & Bruno Moulia. Wind loads and competition for light sculpt trees into self-similar structures, Nature Communications doi:10.1038/s41467-017-00995-6