Tropiska skogar har kallats planetens lungor. De suger upp stora mängder koldioxid, hålla världens största mångfald av växter och djur, och sysselsätter miljontals människor. Och dessa heta ekosystem - ofta ett lapptäcke av träd och gräsmarker - förändras djupt genom avverkning och andra förändringar av markanvändningen.

Nu, ett team av forskare har gjort en grundläggande upptäckt om hur bränder på kanterna i dessa skogar styr deras form och stabilitet. Deras studie innebär att när fläckar av tropisk skog förlorar sin naturliga form kan det bidra till plötsliga, till och med katastrofal, förvandling av det landet från träd till gräs.

Den nya kunskapen kan hjälpa till att skydda tropiska skogar-och göra det möjligt för markförvaltare att bygga nya verktyg för att förutsäga stabiliteten hos både enskilda skogsfläckar och större regionala skogar.

Studien publicerades 26 mars i tidskriften Ekologi bokstäver .

Skogens lag

Med hjälp av högupplösta satellitdata från skyddade skogar i savannregionen i den brasilianska Cerrado, forskarna fann att formen på dessa naturliga skogar följer ett förutsägbart matematiskt samband mellan skogens omkrets och dess yta - oavsett klimatregion eller storlek. De kallar detta en "3/4 kraftlag" och det betyder ungefär att skogen alla tenderar mot former som varken är magra som en linje, inte heller rund och slät som en cirkel. "Om en skog lätt kunde växa åt alla håll, vi förväntar oss en cirkel, "säger Laurent Hébert-Dufresne, en datavetare vid University of Vermont som är huvudförfattare till den nya studien, "men det vi faktiskt ser är mer dendritiskt, lite som en bläckfisk eller deformerad cirkel. "

Teamet på sex forskare - som inkluderade modellerare, ekologer och fysiker från UVM, Santa Fe Institute, Stanford, Boston University, Princeton, och University of Washington - visa att 3/4 lagen gäller för små skogsfragment som inte är mycket större än en basketplan upp till stora skogsfläckar som täcker tiotals kvadratkilometer.

Forskarna kombinerade sin förståelse av verkliga data med resultaten av en ny datormodell för att förklara varför detta händer:bränder, som lätt brinner i gräsmarkerna som omger skogar - och skiljer skogarnas våta kanter - är i ständig kamp med skogarnas expansiva tillväxt ut i gräsmarker. Detta samspel på kanten mellan gräs och skog, forskarna upptäckte, skapar skogsfläckar som konvergerar i en steady-state form.

Resultaten av forskarnas modell matchade de observerade resultaten från riktiga skogar i Brasilien. Och ett experiment som forskarna körde på sin modell visar att skogsfläckarnas öde över tid - oavsett om de expanderar eller drar ihop sig - bestäms av deras ursprungliga form. De med kompakta former i alla storlekar, över tid, konvergera på det mer bläckfiskliknande 3/4-effektskalningsförhållandet, medan de med smala former och större förhållanden mellan omkrets och yta kollapsade, försvinner i gräsmarker eller fragmenteras till mycket små fläckar.

Vilket innebär att detta förhållande mellan en skogs omkrets och dess område kan hjälpa till att förutsäga stabiliteten hos enskilda skogsfläckar. Forskarna är optimistiska att studien kan leda till praktiska verktyg som visar hur långt en skogsplast som avviker från denna naturgeometri kommer att bidra till att bestämma dess stabilitet över tiden.

Statlig förändring

Och den nya forskningen ger insikter om ett större, regional skala till det möjliga ödet för Brasiliens skogar. "Gå tillbaka och överväga makroskalan - titta inte på formen på varje lapp, men, istället, vid tillståndet för hela systemet - modellen antyder att kollapsen från skog till gräsmark kan vara dramatisk, säger Andrew Berdahl, en forskare vid Santa Fe Institute och seniorförfattaren i studien. "Dessa lokala, småskaliga effekter-omkretstillväxt och kantbränning-kan leda till en kritisk övergång över ett helt skogsområde mellan en skogdominerad stat och en gräsdominerad stat. "Och när stora skogsområden övergår till gräs kan det vara svårt att återställa skogarna. "Det är som att kliva av en klippa, "säger Berdahl." Du kan inte bara gå tillbaka. "

Ekologer har historiskt sett tittat på elementen i en skog för att förstå dess tillstånd - ofta med fokus på dess växter och djur - men det har varit lite utforskning av skogens geometri och hur detta kan ha betydelse. Den nya studien visar en kraftfull roll för eld som driver formen av Brasiliens tropiska skogar, "och vi skulle nu vilja se om detta mönster gäller i andra delar av världen, "säger UVM:s Hébert-Dufresne, en biträdande professor vid institutionen för datavetenskap och en del av UVM:s komplexa systemcenter. "Säg i Afrika att vi finner att elefanter som skjuter över träd ändrar ekvationen, eller torrhet i Australien - det skulle vara mycket intressant. "Och han skulle vilja utvidga forskningen för att se om förhållandet som observerades i den nya modellen - härrörande från vilda skogar - stämmer i avverkade och andra skogsskogar i Brasilien.

"Vår grundläggande poäng är dock att en skogs form är mycket viktig, " han säger, "och att dess form är direkt relaterad till dess stabilitet."