在荒漠上“畫個圈圈”，真的是外星人干的嗎？

在非洲南部納米比亞的荒漠草原上，有一種非常奇特的自然現(xiàn)象。在干旱草原的地表，會神秘地出現(xiàn)植物無法生長的裸露圓斑，這種現(xiàn)象被稱為“仙女怪圈”。

圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]

01

神秘的“仙女怪圈”：

奇特的植被分布圖案

納米布沙漠風(fēng)景獨(dú)特，荒涼蕭瑟卻又壯麗無比。這些怪圈在納米布沙漠沿線的干旱草原廣為分布，多至上百萬個，直徑2~12米不等。每一個圓圈里都是裸露的沙土，無法生長任何植被，而圈外卻荒草叢生，圓圈邊緣部位的草甚至長得尤其茂盛。

“仙女怪圈”在整個納米布廣袤的干旱草原中均勻分布，構(gòu)成了奇特的圖案。從空中鳥瞰，它們就如同散布在織物上密密麻麻的圓點(diǎn)。

在當(dāng)?shù)厝说膫髡f中，這些神秘的圓圈是“神的足跡”，甚至有故事傳說，在納米布沙漠草原的地下潛伏著巨龍，龍在地下吐出的毒氣致使怪圈里面寸草不生。除此之外，也有人聯(lián)想到麥田怪圈，認(rèn)為這些圓圈是不明飛行物著陸而留下的痕跡。

俯瞰納米布沙漠。圖片來源：維基百科

02

爭議不休：

關(guān)于“仙女怪圈”的觀點(diǎn)交鋒

近半個世紀(jì)以來，科學(xué)家一直試圖破解“仙女怪圈”的成因，但是合理解釋這種神秘的自然現(xiàn)象存在很多實(shí)際困難?！跋膳秩Α钡钠鹪匆恢碧幱诓粩嗟臓幷撝?，由此也產(chǎn)生了多種不同的說法。

最為主流的說法有兩種。

第一種說法是圈內(nèi)植物死亡是白蟻啃食植物根部所致。在這一觀點(diǎn)中，動物活動首先被假設(shè)為導(dǎo)致“仙女怪圈”形成的原因，尤其是沙地白蟻的假說。

沙地白蟻。圖片來源：維基百科

德國植物學(xué)家Juergens等人認(rèn)為，在當(dāng)?shù)夭菰瓧⒌纳车匕紫伨哂懈菔承?，會在剛發(fā)芽的草根上覓食并因此殺死植物，導(dǎo)致形成沒有植被的裸露區(qū)域；

又或是白蟻為了不讓蟻窩附近的地下水流失，會吃掉草葉以避免蒸散。這種理論聽起來較為簡單，因此很容易被人們接受。

但是此后很多研究人員對“仙女怪圈”進(jìn)行了廣泛的實(shí)地挖掘，大多數(shù)考察結(jié)果都表明在這片區(qū)域內(nèi)，甚至不存在白蟻或其巢穴，某些“仙女怪圈”與白蟻的相關(guān)性也沒有因果關(guān)系。無論是沙地白蟻還是其他在“仙女怪圈”棲居的動物，都沒有證據(jù)顯示它們對圈中植物的根系造成了損害。

第二種說法認(rèn)為，“仙女怪圈”的形成與植物的自組織行為有關(guān)。這種理論認(rèn)為，怪圈的形成是植物爭奪納米比亞稀缺水源的結(jié)果。植物通過根系從土壤中提取水分，在競爭過程中導(dǎo)致了圈內(nèi)植物的干旱死亡。這種理論在最新的研究結(jié)果中得到了進(jìn)一步的證實(shí)。

在納米布沙漠地區(qū)，由于這片沙漠極度干旱、降水不可預(yù)測，一年生牧草的生長是對罕見降水事件的不穩(wěn)定的短期反應(yīng)?！跋膳秩Α钡男纬膳c降雨有著密切的聯(lián)系。降雨過后，由于新長出來的草只需幾周就能完成其生命周期，因此，想要解開“仙女怪圈”的謎團(tuán)，就需要在降雨后的田野調(diào)查中把握好時機(jī)。

圖片來源：維基百科

03

迷霧漸散：

一場植物之間的水資源“爭奪賽”

德國生態(tài)學(xué)家Getzin等人為了解開“仙女怪圈”之謎已經(jīng)在納米布沙漠地區(qū)跟蹤考察了多年。

在2022年10月他們發(fā)表了最新的研究成果，研究團(tuán)隊跟蹤分析了2020年至2022年納米比亞沿岸的降雨情況，并在引發(fā)草種子萌發(fā)生長的降雨后不同時間間隔評估了“仙女怪圈”內(nèi)草死亡的原因，也評估了白蟻對圈中植物的影響。

圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

研究團(tuán)隊使用土壤濕度傳感器測量了從旱季到雨季的土壤水分，研究新出現(xiàn)的草在空間和時間上如何影響土壤水分含量。結(jié)果表明，“仙女怪圈”中草的死亡原因并非白蟻活動導(dǎo)致。

同時，測量分析結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，仙女怪圈和基質(zhì)之間的水滲透速率沒有系統(tǒng)性差異。由此得出，植物萎蔫并非由“仙女怪圈”內(nèi)更快的滲透速度造成的。

然而，土壤水分測量記錄卻表明，降雨后“仙女怪圈”外圍的草生長迅速，嚴(yán)重耗盡了“仙女怪圈”的上層土壤水分。

正是由于植物水分脅迫，“仙女怪圈”中的草才會在降雨后立即死亡。換句話說，圈中的植物是因為圈外植物爭搶水分而導(dǎo)致缺水死亡的。這一結(jié)果表明，納米比亞的“仙女怪圈”是由生態(tài)水文反饋而引起的自組織植被現(xiàn)象。

在過去的研究中，生態(tài)學(xué)家們一直認(rèn)同“仙女怪圈”可儲存地下水這一說法，“仙女怪圈”內(nèi)深層的土壤濕度相較周圍植被中的土壤濕度高出幾倍。然而，較高的土壤濕度主要發(fā)生在30~100cm的深度，而新的植物幼苗通常只能在上層土壤層中發(fā)芽，圈內(nèi)上層干燥的土壤無法支持植物的生存。

圖片來源：維基百科

根據(jù)植被自組織理論，在干旱條件下，由于“仙女怪圈”周圍的草之間的生態(tài)水文反饋耗盡了上層土壤水分，因此，“仙女怪圈”間隙內(nèi)部的植物會受到嚴(yán)重的水分脅迫而難以生長。

如果沒有充足的降雨提供足夠的水分，植被恢復(fù)幾乎不可能。研究團(tuán)隊曾經(jīng)目睹了在罕見的強(qiáng)降雨之后，裸露的土壤重新變成茂密的草層。

在納米布沙漠地區(qū)，形成“仙女怪圈”是由植物的高吸水率和相對于生物量膨脹的快速橫向土壤水分?jǐn)U散所引起的。也就是所謂的“吸收-擴(kuò)散反饋”作用導(dǎo)致了納米布沙質(zhì)土壤中的逆相空間生物量-水分分布，從而導(dǎo)致植被間隙的形成。

基于其他研究團(tuán)隊先前的實(shí)地調(diào)查，已證明水可在短時間內(nèi)在“仙女怪圈”之間水平移動超過7米。這種類型的資源集中和生物量的局部聚集，導(dǎo)致了整體范圍內(nèi)自組織斑塊的形成。

“仙女怪圈”的間隙以及旱地相關(guān)的植被條紋和斑點(diǎn)的周期性形成模式，正好反映了該地區(qū)沒有足夠的降雨來維持連續(xù)的植物層的生長。

納米布沙漠。圖片來源：維基百科

總體而言，這項研究確定了由“仙女怪圈”周圍的草所積極誘導(dǎo)的生態(tài)水文反饋效應(yīng)和橫向土壤水分?jǐn)U散兩方面因素，是最有可能導(dǎo)致“仙女怪圈”內(nèi)植物水分脅迫，并最終導(dǎo)致“仙女圈”內(nèi)植物快速死亡的機(jī)制。

吸收擴(kuò)散反饋破壞了均勻植被的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致了所謂的“圖靈模式”。

在這里順便解釋一下，數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈在1951年提出的著名的“形態(tài)發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散理論”，因此圖靈的模型也被稱為反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制，該理論成為了理論生物學(xué)的基本模型。

它描述了自然界中的圖案（如圓點(diǎn)、斑點(diǎn)、條紋和螺旋形等圖案）如何從均勻的狀態(tài)中自然產(chǎn)生，這種圖案模式被稱為圖靈模式（Turing patterns）。

基于圖靈模式理論，科學(xué)家們可以用數(shù)學(xué)解釋化學(xué)和生物系統(tǒng)中形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和規(guī)律的重復(fù)斑圖，例如老虎和斑馬魚的條紋、豹子身上的花斑等等。

結(jié)語

在納米布沙漠草原中，“仙女怪圈”外圍生長的草積極地改變了圈內(nèi)的土壤濕度，充當(dāng)著“生態(tài)系統(tǒng)工程師”的角色。它們通過形成周期性植被間隙模式并防止其他草在“仙女怪圈”內(nèi)生長，并從其中所提供的額外水資源中“獲益”。

在納米布沙漠的均質(zhì)沙土中，“仙女怪圈”極為規(guī)則的、空間周期性的聚集，使得植被之間形成高密度的間隙，并向草提供水這一“生命之源”。

這一特點(diǎn)，對于植物在水資源極度匱乏的環(huán)境中生存至關(guān)重要，同時也導(dǎo)致了“仙女怪圈”這種奇特的植被間隙模式的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Cramer MD and Barger NN. PLoS ONE, 2013, 8(8): e70876.

[2] Cramer MD, et al. Ecography, 2017, 40: 1210–1220.

[3] Getzin S, et al. PNAS, 2016, 113: 3551–3556.

[4] Getzin S, et al. PPEES, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ppees.2022.125698

[5] Juergens N. Science, 2013, 339: 1618–1621.

[6] Kappel C, et al. Commun Biol. 2020, 3: 698.

[7] Tschinkel W R.PLoS One, 2015, 10: e0140099.

[8] Turing A M. Philos. Trans. R. Soc. B, 1952. 237: 37–72.

出品｜科普中國

作者｜黎茵（中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院）

監(jiān)制｜中國科普博覽

選送單位：中國科學(xué)院計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)中心

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