植物中的流相似性、随机分支与四分之一幂标度

倍数为 1/4 的异速标度模式的起源长期以来令生物学家着迷。尽管并非普遍，但指数接近 1/4 倍数的标度关系很常见，并已在所有主要演化支中被描述。这些关系中最首要的是代谢随质量的 3/4 标度，它支撑了生物速率与时间的 1/4 幂依赖。已有若干模型被提出以解释此类模式的潜在机制驱动因素，但关于模型结构与经验数据脱节的问题限制了它们的广泛接受。其中著名的是分形分支模型，它预测代谢与物理尺寸均呈幂律标度。虽然幂律是对许多数据集有用的初步近似，但一些大型数据汇编中的非线性暗示了更复杂或替代机制的可能性。在此，我们首先表明，仅使用体积流率与速度的守恒作为模型约束，即可推导出四分之一幂标度。将我们的模型应用于陆生植物的具体情况，我们表明，纳入生物力学原理并允许植物分支网络的不同部分被优化以服务不同功能，可预测异速关系中的非线性，并有助于解释为何种间标度指数沿分形连续统协变。我们还证明，尽管分支可能是随机过程，但由于体积守恒，当检查树内子树时，数据仍可能与分形网络的预期一致。来自众多来源的关于植物嫩枝、茎、叶柄和叶片层面的数据显示出与我们的模型预测强烈吻合。这一新颖理论框架为当前植物代谢异速标度的一般模型提供了易于检验的替代方案。