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[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。

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)象存在很多實際困難?！跋膳秩Α钡钠鹪匆恢碧幱诓粩嗟臓幷撝校纱艘伯a(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”進行了廣泛的實地挖掘，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)果中得到了進一步的證實。

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，就需要在降雨后的田野調(diào)查中把握好時機。

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[1]

研究團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。研究團隊曾經(jīng)目睹了在罕見的強降雨之后，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擴散所引起的。也就是所謂的“吸收-擴散反饋”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。

基于其他研究團隊先前的實地調(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)和橫向土壤水分擴散兩方面因素，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)植物快速死亡的機制。

吸收擴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)擴散理論”，因此圖靈的模型也被稱為反應(yīng)擴散機制，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、斑點、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，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：

[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）

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選送單位：中國科學(xué)院計算機信息網(wǎng)絡(luò)中心

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