Le piante si auto-organizzano secondo un "ordine nascosto", riecheggiando uno schema presente in natura / Plants self-organize in a 'hidden order,' echoing pattern found across nature
Le piante si auto-organizzano secondo un "ordine nascosto", riecheggiando uno schema presente in natura / Plants self-organize in a 'hidden order,' echoing pattern found across nature
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I cerchi delle fate della Namibia sono tra le zone aride del mondo che sembrano seguire un "ordine nascosto" presente in natura / Namibia's fairy circles are among the world's drylands that appear to follow a "hidden order" seen across nature.
Gli scienziati hanno scoperto uno schema "perfettamente disordinato ed iperuniforme" nel modo in cui le piante si dispongono in molti paesaggi aridi, che consente loro di sfruttare al meglio le risorse idriche.
Gli scienziati hanno scoperto un "ordine nascosto" nelle zone aride del pianeta, dove le piante seguono una disposizione iperuniforme e disordinata: una disposizione che da vicino appare casuale e disorganizzata, ma che da lontano segue uno schema chiaro.
I risultati spiegano fenomeni come il "tiger bush" nell'Africa occidentale, dove fasce di piante sembrano strisce di tigre viste dall'alto, od i "fairy circles" in Namibia, che da lontano sembrano macchie ma in realtà sono gruppi di piante. Queste piante si auto-organizzano in un modo che le aiuta a far fronte alla siccità ed a funzionare in condizioni estreme.
Nel nuovo studio, pubblicato il 7 ottobre sulla rivista PNAS, i ricercatori hanno esaminato immagini satellitari di oltre 400 aree aride in tutto il mondo e hanno analizzato matematicamente i modelli spaziali delle piante in quei paesaggi. Hanno scoperto che, sebbene la distribuzione delle piante possa apparire disordinata a terra, da una vista aerea il 10% delle zone aride segue uno schema iperuniforme, dimostrando che il fenomeno non è solo una rarità, ma una caratteristica diffusa di molti ecosistemi aridi.
Questo schema è probabilmente il risultato di un'intensa competizione per risorse scarse, ha affermato Liu. Disporre le piante in questo modo iperuniforme può aiutare la sopravvivenza in condizioni idriche limitate. Se fossero troppo vicine tra loro, le singole piante competerebbero per l'acqua, ma se fossero troppo distanti lascerebbero spazi vuoti che potrebbero essere invasi da altri tipi di piante, quindi questo schema garantisce il giusto equilibrio per un ecosistema arido.
Nel tempo, la vegetazione si organizza lentamente in uno stato disordinato e iperuniforme, plasmato da questo equilibrio. "È una strategia brillante ed emergente per massimizzare l'uso delle risorse e ridurre al minimo i conflitti competitivi per l'intera comunità", ha affermato Liu.
I chimici hanno definito per la prima volta l'iperuniformità disordinata negli anni 2000. Hanno osservato che gli atomi non erano disposti secondo uno schema cristallino solido (una griglia altamente organizzata) o secondo uno schema liquido o gassoso (tanto meno organizzato e casuale). Erano invece disposti in modo iperuniforme e disordinato, conferendogli i vantaggi di un sistema organizzato ma con maggiore flessibilità.
Gli scienziati hanno identificato questo schema sempre più spesso in tutto il mondo naturale, dalla scala atomica ad intere galassie. I bastoncelli ed i coni negli occhi degli uccelli sono organizzati in modo iperuniforme, e alcune alghe nuotano seguendo schemi iperuniformi.
Come dimostra il lavoro di Jiao, questa caratteristica è stata osservata in precedenza anche nelle piante, comprese le reti delle vene delle foglie.
"Possiamo imparare molto da questi sistemi biologici, ottimizzati da molti anni di evoluzione e selezione naturale", ha dichiarato a Live Science Yang Jiao, ingegnere dell'Arizona State University, non coinvolto nella ricerca. "Non sono sorpreso dai risultati. Analogamente a quanto dimostriamo con i modelli fogliari, se l'ambiente è ostile, il sistema si adatta maggiormente verso stati iperuniformi ottimali", ha aggiunto.
Ma questo equilibrio ottimale rende più difficile per l'ecosistema riprendersi dai disturbi causati dall'uomo, come i cambiamenti climatici, le specie invasive o le infrastrutture.
"Strade e fossati agiscono come cicatrici che interrompono il flusso dell'acqua", ha affermato Liu. "Una volta alterati questi gradienti, l'ordine nascosto crolla. In questo modo, la perdita di iperuniformità può fungere da segnale di allarme precoce, un segnale che l'ecosistema è sotto stress e sta perdendo la naturale resilienza che questo ordine nascosto fornisce".
Il gruppo di Liu ora progetta di cercare ordini nascosti in altri ecosistemi estremi, compresi quelli oltre la Terra. Analizzando le immagini di un cratere su Marte scattate dal rover Curiosity della NASA, hanno scoperto che gli ammassi di ciottoli sulla sabbia mostrano la stessa iperuniformità disordinata delle piante delle zone aride sulla Terra, causata non dalla biologia ma da forze fisiche come il vento, il movimento della sabbia e la gravità.
"Il fatto che lo stesso principio geometrico appaia in sistemi così diversi suggerisce che l'iperuniformità disordinata sia una soluzione universale alla sfida dell'impacchettamento e dell'efficienza in condizioni di costrizione", ha affermato Liu, "indipendentemente dal fatto che le 'particelle' siano piante, ciottoli o cellule".
ENGLISH
Scientists have discovered a "perfect disordered hyperuniform" pattern in how plants arrange themselves across many dry landscapes that allows them to make the most of water resources.
Scientists have uncovered a "hidden order" in drylands across the planet, where plants follow disordered hyperuniformity — a layout that looks random and disorganized up close but adheres to a clear pattern when viewed from farther away.
The findings explain phenomena like "tiger bush" in West Africa, where bands of plants look like tiger stripes from above, or "fairy circles" in Namibia that look like spots from far away but are actually clumps of plants. These plants are self-organized in a way that helps them cope with drought and function in extreme conditions.
In the new study, published Oct. 7 in the journal PNAS, researchers looked at satellite images of more than 400 arid areas around the globe and mathematically analyzed the spatial patterns of the plants in those landscapes. They found that though the plants' distribution might look disordered on the ground, from an aerial view 10% of drylands follow a hyperuniform pattern — showing the phenomenon is not just a rarity but a widespread feature of many dry ecosystems.
The pattern is likely the result of intense competition for scarce resources, Liu said. Arranging themselves in this hyperuniform way can help plants survive with limited water. If they are too close to each other the individual plants would compete for water, but being too far apart would leave gaps for other types of plants to invade, so this pattern enables just the right balance for a dry ecosystem.
Over time, the vegetation slowly organizes into a disordered hyperuniform state shaped by this balance. "It's a brilliant, emergent strategy to maximize resource usage and minimize competitive conflict for the whole community," Liu said.
Chemists first defined disordered hyperuniformity in the 2000s. They observed atoms not arranged in a crystal solid pattern (a highly organized grid) or a liquid or gas pattern (much less organized and random). Instead they were arranged in a disordered hyperuniform way, giving it the benefits of an organized system but with more flexibility.
Scientists have identified this pattern more and more throughout the natural world, from the atomic scale to entire galaxies. The rods and cones in birds' eyes are organized in a hyperuniform way, and some algae swim in hyperuniform patterns.
It has also previously been observed in plants — including in leaf vein networks, Jiao's work shows.
"We can learn a lot from these biological systems that are optimized by many years of evolution and natural selection," Yang Jiao, an engineer at Arizona State University who was not involved with the research, told Live Science. "I'm not surprised by the results. Similarly to what we show with the leaf patterns, if the environment is harsh, the system adapts more towards optimal hyperuniform states," he added.
But this optimal balance makes it harder for the ecosystem to recover from human disturbance, like climate change, invasive species, or infrastructure.
"Roads and ditches act as scars interrupting water flow," Liu said. "Once those gradients are disturbed, the 'hidden order' collapses. In this way, the loss of hyperuniformity can serve as a sensitive early warning sign — a signal that the ecosystem is becoming stressed and is losing the natural resilience that this hidden order provides."
Liu's team now plans to search for hidden orders in other extreme ecosystems, including those beyond Earth. Analyzing NASA's Curiosity rover images of a crater on Mars, they found that pebble clusters on sand show the same disordered hyperuniformity as dryland plants on Earth, driven not by biology but by physical forces like wind, sand movement, and gravity.
"That the same geometric principle appears in such different systems suggests that disordered hyperuniformity is a universal solution to the challenge of packing and efficiency under constraints," Liu said, "whether the 'particles' are plants, pebbles, or cells."
Da:
https://www.livescience.com/planet-earth/plants/plants-self-organize-in-a-hidden-order-echoing-pattern-found-across-nature?utm_term=0D44E3E5-72C8-4F2E-A2B4-93C82DC78FB4&lrh=e4e2966485d78112a6060535462dd7377ffa0f1e6368288dc8552dcea7aac778&utm_campaign=368B3745-DDE0-4A69-A2E8-62503D85375D&utm_medium=email&utm_content=7324270C-5F48-45CD-8CBE-825B16ECE988&utm_source=SmartBrief
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