Matematiska modeller förklarar växters strategier

Vilken tid på året är det bäst att blomma? Varför är träden långsmala i norra Sverige men inte i Amazonas? Med hjälp av matematiska modeller kan vi öka förståelsen för hur växter och träd växer och hur de reagerar på miljöförändringar som uppvärmning och högre koldioxidhalter i atmosfären. Beräkningsmatematiker Magnus Lindh har lagt fram en avhandling i ämnet.

Svaret på vilken tid på året som det är bäst att blomma beror på om växten är ettårig eller flerårig, men den beror också på när pollinatörer och växtätare är aktiva. För att komma fram till resultatet har Magnus Lindh använt matematiska modeller som han har utvecklat i samarbete med svenska och internationella forskare.

– Man kan se att tillväxtbegränsningar har betydelse för blomningstiden hos ettåriga växter, och om produktivitet ökar så kan antingen blomningen bli tidigare eller senare, beroende på hur hög produktiviteten är, säger Magnus Lindh.

Detta är en viktig kunskap om växters evolution för vi ser redan nu i våra ekosystem att blomningen kan ske antingen tidigare eller senare när temperaturen ökar och våren kommer lite tidigare.

Det är mycket svårt att veta hur träd kommer att reagera på miljöförändringar som exempelvis temperaturökning, eftersom de växer så långsamt och därmed kan det ta hundratals år innan man vet om en viss växtstrategi är framgångsrik eller inte. Modellering av växter har blivit ett så viktigt verktyg eftersom man snabbt kan simulera många möjliga framtidsscenarier.

– Jag har bland annat kunnat visa med en modell att kombinationen av djupt grundvatten och hög dödlighet på grund av torka effektivt utrotar alla möjliga trädstrategier på lång sikt.

Träd som växer upp i en skog måste konkurrera med andra träd om ljus, framför allt större träd. Detta ger upphov till en asymmetrisk ljuskonkurrens, där de små träden hämmas av större träd. Små träd har därmed små chanser att överleva utom då skogen nyligen störts och det öppnas upp en glänta. Detta betyder att selektionen gynnar högre träd, men bara till en viss gräns då tillväxtbegränsningar börja spela en stor roll. Vid denna ljuskonkurrens kan man anta att trädkronans form har stor betydelse för trädets framgång.

– Jag har utvecklat en trädmodell med självskuggning där två egenskaper beskriver kronans topptyngd och bredd. Med modellen kan man undersöka vilka växtstrategier som bestämmer om kronans form blir konkurrenskraftig. När kronformen utvecklas i konkurrens med andra kronformer så vinner en evolutionärt stabil strategi med topptunga trädkronor, vilken skiljer sig från de bottentunga trädkronorna med högst nettoproduktionen. Detta betyder att evolutionärt stabila skogar inte maximerar produktionen, vilket är ett problem för skogsbruket, eftersom man vill ha så stor produktion som möjligt.

För att minska problemet med topptunga trädkronor med låg produktion kan man tunna ut skogen, förklarar Magnus Lindh. Detta måste dock göras kontinuerligt eftersom evolutionära krafter verkar för topptunga kronor utom vid mycket ofruktsamma förhållande, då ljuskonkurrensen är i princip noll.

På platser nära polerna med låga solvinklar har trädkronor en mer långsmal form än i länder nära ekvatorn beroende på att dessa kronor tar upp ljuset mer effektivt. Detta ger ett nytt oväntad argument för skogsbruk nära polerna, eftersom långsmala trädkronor är mer tillväxteffektiva, vilket beror på att topptunga kronor måste tappa fler grenar för att behålla sin form.

Magnus Lindh har utfört sina doktorandstudier inom den tvärvetenskapliga forskningsmiljön Icelab.

Läs en digital publicering av avhandlingen

Magnus Lindh är uppvuxen i Dalby utanför Lund. Han är utbildad fysiker vid Lunds Universitet och har doktorerat vid Institutionen för matematik och matematisk statistik vid Umeå Universitet.

Fakta IceLab

IceLab är en tvärvetenskaplig forskningsmiljö vid Umeå universitet. IceLab drivs i samarbete mellan institutionerna för matematik och matematisk statistik, fysik och ekologi, miljö och geovetenskap.
Vid IceLab bygger forskarna modeller och gör simuleringar för att förstå frågor som ekologer, biologer, psykologer och sociologer vanligtvis arbetar med inom sina egna discipliner.
Metoderna kan till exempel användas för att bättre förstå hur klimatförändringar påverkar ekosystem eller för att räkna ut hur en befolkning ska vaccineras mot ett virus för att få maximal effekt.

http://www.org.umu.se/icelab/

För mer information, kontakta gärna:

Magnus Lindh
E-post: magnus.lindh@math.umu.se
Telefon: 076-113 67 16

Om disputationen:

Fredagen den 13 maj försvarade Magnus Lindh, Institutionen för matematik och matematisk statistik samt Institutionen för ekologi och miljövetenskap (EMG), Umeå universitet, sin avhandling med titeln Evolution of Plants: a mathematical perspective. Svensk titel: Växtevolution: Ett matematiskt perspektiv.

Disputationen ägde rum klockan 10.15 i Sal Ma121, MIT-huset.

Fakultetsopponent var doktor Claus Rueffler, Institutionen för ekologi och genetik, Zooekologi, Uppsala Universitet.