I afrikanske eventyrkredse, en skabelon til naturens mange mønstre

Det være sig Mima -højene i staten Washington eller de berømte "eventyrcirkler" i Namibia i det sydvestlige Afrika, mennesker er betaget af de regelmæssige plantevækstmønstre, som dækker ørken- og græslandskaber, ofte med fascinerende konsistens.

Forskere har længe diskuteret, hvordan disse fænomener opstår og fortsætter. Nu, en ny teori antyder, at i stedet for en enkelt overordnet årsag, store vegetationsmønstre i tørre økosystemer kan lejlighedsvis stamme fra millioner af lokale interaktioner mellem naboplanter og dyr, ifølge en Princeton University-ledet undersøgelse offentliggjort 19. januar i tidsskriftet Natur .

Ligesom russiske rededukker, småskala mønstre dannet af planter som reaktion på vandmangel ligger inden for en større prik-dannelse skabt af rede af sociale insekter såsom termitter og myrer. Rederne fremstår igen som cirkulære klynger af vegetation eller som huller i bar jord, alt efter hvordan insekterne påvirker plantevæksten.

Satellitbilleder fra fire kontinenter viste, at insektreder ofte er bemærkelsesværdigt jævnt fordelt, hvor hver rede i gennemsnit har seks naboer. Forskerne brugte matematiske modeller og computersimuleringer til at vise, at territorial aggression mellem tilstødende kolonier kan frembringe dette arrangement, hvilket fører til en storstilet sekskantet, eller honeycomb, fordeling af rederne. Individuelle kolonier spredes udad, indtil de støder på og kæmper med deres naboer, lejlighedsvis aflive mindre kolonier. Over tid, dette fører til en mosaik af sekssidede territorier. Hver af de seks sider repræsenterer frontlinjen mellem en koloni og dens fjender ved siden af.

Hovedforfatter Corina Tarnita, en adjunkt i økologi og evolutionær biologi ved Princeton, forklaret, at mønsteret opstår, når termitkolonier er nogenlunde lige store, og landskabet er homogent.

"Mange sociale insekter har tendens til at være territoriale, og kolonier kæmper ofte ihjel, " sagde Tarnita. "Når en begyndende høj dukker op i et eksisterende territorium, de etablerede termitter finder det til sidst og ødelægger det. Over tid, store kolonier udsletter de mindre. Men store kolonier ender med at eksistere side om side i en evig grænsekrig uden at vinde nogen terræn."

Honningkageformationerne giver den optimale opdeling af rummet mellem de forskellige kolonier, sagde Tarnita. "Til sidst ender du med kolonier af meget lignende størrelser, der er så langt fra hinanden som muligt, samtidig med at der ikke efterlades nogen plads ledig."

Tarnita forklarede, at mange mønstre over hele verden - fra fisketerritorier til det rumlige arrangement af fuglereder - sandsynligvis skyldes territorial aggression. "Ofte er disse mønstre svære at se. Det, der gør sociale insekter og andre gravende dyr unikke, er, at deres reder skaber et synligt fingerpeg om, hvor deres territorier er, "Sagde Tarnita.

"Et af vores mål i dette arbejde var at forstå, hvordan vegetationsmønstre kan dannes fra territorial konkurrence om ressourcer mellem sociale insektkolonier, men modellen kunne anvendes meget bredt til at karakterisere rumlige mønstre i andre territoriale dyr, " hun sagde.

'Fe -cirkler' og en anden del af mønsterhistorien

Storskala vegetationsmønstre, imidlertid, er ikke altid hele historien. En anden biologisk proces er fremherskende i mellemrummene mellem insektreder. der, planter organiserer sig efter et princip kendt som "skalaafhængig feedback."

Forskerne testede denne ramme på namibiske eventyrcirkler - runde pletter af ørkensand, 2 til 35 meter (6,5 til 114 fod) i diameter, omgivet af ringe af højt græs. Opkaldt efter folketroen på deres overnaturlige oprindelse, fe -cirkler er blevet det usandsynlige fokus for videnskabelig kontrovers, efter at forskning i 2013 foreslog, at termitter skaber de bare pletter ved at angribe planter. Det blad udgav en stribe publikationer, der modvirker, at cirklerne i stedet opstod fra planternes selvorganisering.

Det Natur undersøgelse viser, at disse to mekanismer ikke udelukker hinanden, og at begge kan operere i Namibias ørkener. Forskerne tilpassede deres modeller til at omfatte effekten af ​​termitter, der fjerner planter for at skabe de bare skiver. Denne handling øger jordens fugtindhold i cirklerne, gør det muligt for omgivende planter at trives og producerer de karakteristiske høje ringe af græs. I mellemtiden det landskabsdækkende sekskantede layout af cirkler og græsringe fremkommer af den frastødende kraft af territorial krigsførelse mellem nabotermitkolonier.

Under barske miljøforhold, planter gavner ofte deres nærmeste naboer ved at give et lille skygge og koncentrere jordfugtighed i rodzonen, fører til dannelse af små klumper af vegetation. Når disse klumper bliver for store, konkurrence om vand opvejer fordelene ved naboforening, hvilket fører til pletter af bar jord støder op til hver planteklynge. Nettoresultatet af denne proces er et mønster af jævnt fordelt pletter af plantevækst inden for en matrix af bar jord. Det er et spejlbillede af insektrede-mønsteret, men på skalaen af ​​centimeter i stedet for meter og som følge af en anden biologisk mekanisme.

Forskerne viser, at kombinationen af ​​disse to adskilte processer - insektkonkurrence og planteskalaafhængig feedback - genererer en mere realistisk beskrivelse af ørkenvegetation, end hver proces kan opnå uafhængigt.

Tidligere undersøgelser af eventyrkredse, for eksempel, havde ikke rapporteret om vegetationen i mellem cirklerne. Imidlertid, forskernes nye data fra Namibia viser, som deres teoretiske modeller forudsagde, at der forekommer små klynger af planter med jævne mellemrum der.

Naturens mekanik

Medforfatter Robert Pringle, en Princeton assisterende professor i økologi og evolutionsbiologi, sagde, at undersøgelsen søger at afdække den grundlæggende mekanik af naturlige interaktioner for at hjælpe videnskabsmænd med at forstå "hvordan naturen fungerer, og hvordan den sætter sig selv sammen." Sådan mekanistisk viden er vigtig for forsøg på at rehabilitere naturlige systemer, der er beskadiget af klimaændringer og ødelæggelse af levesteder, han sagde. Pringle og Tarnita udforskede den globale udbredelse af en sådan rumlig selvorganisering i et andet papir offentliggjort i Årlig gennemgang af entomologi i januar.

"Modellerne i vores papir er baseret på fundamentale interaktioner, der forekommer mellem naboorganismer, og de er allestedsnærværende, "Pringle sagde." Denne form for regelmæssig mønster er udbredt, og selvom det ikke altid er let at se, det gør en enorm forskel i, hvordan økosystemer fungerer, og hvordan de reagerer på miljøændringer.

"Vores mål gennem dette arbejde har været at bidrage til en sammenhængende forståelse af regulære mønstre som et sæt af fænomener, der dukker op på mange forskellige niveauer i alle slags systemer, både biologiske og ikke-levende, " sagde Pringle. "Fe-cirkler eksemplificerer smukt den bredere kategori af mønstre, som vi er interesserede i."

Max Rietkerk, professor i miljøvidenskab ved Utrecht University i Holland, sagde, at forfatternes teori om rumlig mønstre er unik for at kombinere adfærdsmæssige og økologiske faktorer.

"Til mig, det nye er den alternative forklaring på eventyrringene demonstreret af termitmodellen, plus den kombinerede forklaring af flerskalamønstrene ved hjælp af en koblet termit-vegetationsmodel, " sagde han. "Dette er vigtigt ikke kun for at forstå Namib-ørkenens mønstre, men potentielt også andre systemer og områder på grund af kombinationen af ​​social-adfærdsmæssige og fysisk-økologiske aspekter."

Teoretisk harmoni

Det Natur papir forener eksisterende teorier om naturlig mønsterdannelse, der var blevet betragtet som konkurrerende snarere end komplementære, sagde co-lead forfatter Juan Bonachela, en tidligere postdoc-forsker i Princeton, nu assisterende professor i økologi og evolution ved University of Strathclyde i Skotland.

"Der har længe været to førende teorier om, hvordan disse regelmæssige mønstre, og især eventyrcirkler, er dannet, og disse teorier er traditionelt blevet præsenteret som gensidigt udelukkende, " sagde Bonachela.

"Vores fund harmonerer begge teorier og tilføjer til sæt af mulige forklaringer på regelmæssige vegetationsmønstre observeret over hele kloden, " sagde han. Bonachela bemærkede også, at det nye arbejde giver indsigt i, hvordan miljøer reagerer på forstyrrelser. "Denne adfærd påvirker hele økosystemet, giver den mulighed for at overleve hårdere forhold og komme sig efter tørke meget hurtigere, end hvis der ikke var nogen termitter."

Det samme hold af forskere rapporterede i tidsskriftet Videnskab i 2015, at termithøje kan afværge ørkendannelse i tørre savanner og græsarealer. Højene opbevarer fugt og næringsstoffer, og termitternes indviklede tunneler tillader vand bedre at trænge ind i jorden.

Salvatore Torquato, en Princeton professor i kemi og Princeton Institute for Science and Technology of Materials, sagde, at de vegetative mønstre, forskerne undersøgte, synes at have en "eksotisk" kompleksitet kendt som "hyperuniformitet" fundet i mange systemer. Først identificeret i et papir fra 2003 af Torquato og kolleger, hyperuniformitet refererer til en storstilet struktur, der opstår fra dens elementers langsigtede interaktioner.

"Bemærkelsesværdigt, vegetationsmønstrene minder om nogle eksotiske strukturer, der opstår i atomsystemer, fastklemte granulære medier, og fotoreceptorcellerne i nethinden, " sagde Torquato, som er bekendt med forskningen, men ikke havde nogen rolle i den." I dette tilfælde, de langtrækkende interaktioner ser ud til at stamme fra konkurrencen og andre interaktioner mellem forskellige enheder-dyr, planter, osv. - i økosystemet.

"Jeg synes, dette arbejde er meget indsigtsfuldt og banebrydende, og det åbner døren for bedre at forstå den måde, hvorpå flere mekanismer interagerer på tværs af skalaer for at producere komplekse økosystemstrukturer, "Torquato fortsatte." Dette papir præsenterer mange spændende og fascinerende veje til fremtidig forskning. "