沙漠上的一個(gè)個(gè)“神秘怪圈”，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(huì)神秘地出現(xiàn)植物無(wú)法生長(zhǎng)的裸露圓斑，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“仙女怪圈”。

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[6]

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(wú)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(wàn)個(gè)，直徑 2～12 米不等。每一個(gè)圓圈里都是裸露的沙土，無(wú)法生長(zhǎng)任何植被，而圈外卻荒草叢生，圓圈邊緣部位的草甚至長(zhǎng)得尤其茂盛。

“仙女怪圈”在整個(gè)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(niǎo)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(shuō)中，這些神秘的圓圈是“神的足跡”，甚至有故事傳說(shuō)，在納米布沙漠草原的地下潛伏著巨龍，龍?jiān)诘叵峦鲁龅亩練庵率构秩锩娲绮莶簧?。除此之外，也有人?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(lái)源：維基百科

爭(zhēng)議不休：

關(guān)于“仙女怪圈”的觀點(diǎn)

交鋒近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，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?zhēng)論之中，由此也產(chǎn)生了多種不同的說(shuō)法。

最為主流的說(shuō)法有兩種。

第一種說(shuō)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(dòng)物活動(dòng)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(shuō)。

沙地白蟻。圖片來(lái)源：維基百科

德國(guó)植物學(xué)家于爾根斯（Juergens）等人認(rèn)為，在當(dāng)?shù)夭菰瓧⒌纳车匕紫伨哂懈菔承?，?huì)在剛發(fā)芽的草根上覓食并因此殺死植物，導(dǎo)致形成沒(méi)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(huì)吃掉草葉以避免蒸散。這種理論聽(tīng)起來(lái)較為簡(jiǎn)單，因此很容易被人們接受。

但是此后很多研究人員對(duì)“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(méi)有因果關(guān)系。無(wú)論是沙地白蟻還是其他在“仙女怪圈”棲居的動(dòng)物，都沒(méi)有證據(jù)顯示它們對(duì)圈中植物的根系造成了損害。

第二種說(shuō)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(zhēng)奪納米比亞稀缺水源的結(jié)果。植物通過(guò)根系從土壤中提取水分，在競(jìng)爭(zhēng)過(guò)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(cè)，一年生牧草的生長(zhǎng)是對(duì)罕見(jiàn)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(guò)后，由于新長(zhǎng)出來(lái)的草只需幾周就能完成其生命周期，因此，想要解開(kāi)“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(shí)機(jī)。

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迷霧漸散：

一場(chǎng)植物之間的水資源“爭(zhēng)奪賽”

德國(guó)生態(tài)學(xué)家格津（Getzin）等人為了解開(kāi)“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(duì)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(zhǎng)的降雨后不同時(shí)間間隔評(píng)估了“仙女怪圈”內(nèi)草死亡的原因，也評(píng)估了白蟻對(duì)圈中植物的影響。

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

研究團(tuán)隊(duì)使用土壤濕度傳感器測(cè)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(shí)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(dòng)導(dǎo)致。

同時(shí)，測(cè)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(méi)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(cè)量記錄卻表明，降雨后“仙女怪圈”外圍的草生長(zhǎng)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(huì)在降雨后立即死亡。換句話說(shuō)，圈中的植物是因?yàn)槿ν庵参餇?zhēng)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(guò)去的研究中，生態(tài)學(xué)家們一直認(rèn)同“仙女怪圈”可儲(chǔ)存地下水這一說(shuō)法，“仙女怪圈”內(nèi)深層的土壤濕度相較周?chē)脖恢械耐寥罎穸雀叱鰩妆?。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(wú)法支持植物的生存。

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根據(jù)植被自組織理論，在干旱條件下，由于“仙女怪圈”周?chē)牟葜g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(huì)受到嚴(yán)重的水分脅迫而難以生長(zhǎng)。

如果沒(méi)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(duì)曾經(jīng)目睹了在罕見(jiàn)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(duì)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(duì)先前的實(shí)地調(diào)查，已證明水可在短時(shí)間內(nèi)在“仙女怪圈”之間水平移動(dòng)超過(guò) 7 米。這種類(lèi)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(méi)有足夠的降雨來(lái)維持連續(xù)的植物層的生長(zhǎng)。

納米布沙漠。圖片來(lái)源：維基百科

總體而言，這項(xiàng)研究確定了由“仙女怪圈”周?chē)牟菟e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(chēng)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(chēng)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(yú)的條紋、豹子身上的花斑等等。

結(jié)語(yǔ)

在納米布沙漠草原中，“仙女怪圈”外圍生長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)，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(duì)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(shí)也導(dǎo)致了“仙女怪圈”這種奇特的植被間隙模式的出現(xiàn)。

參考資料

[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.

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出品｜科普中國(guó)

作者｜黎茵 中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

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責(zé)編丨楊雅萍

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