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沙漠上神秘的仙女圈 竟源于草類自我“救贖”

縱然人類已將觸角伸向了遙遠的太空，但對自己居住的地球仍有眾多無法解釋的謎團。

隨著航空業(yè)和無人機的發(fā)展，觀察地表有了新的視角：人們看到非洲南部納米比亞沙漠，以及澳大利亞西部皮爾巴拉、美國愛達荷州等地，在大片干旱貧瘠的土地上，均勻排列著上千個大小不等的圓圈，直徑大多在2至15米。這些圓圈中荒草稀疏，有的甚至寸草不生。

這些神奇的圓圈被稱為“仙女圈”，它像一道難解的題，幾十年來困擾著幾代生態(tài)學(xué)家。它也是自然界最大的謎團之一。最近，一個德國科研團隊的研究表明，仙女圈竟然與計算機之父艾倫·圖靈所創(chuàng)立的理論有關(guān)。

生物過程觀點 創(chuàng)造仙女圈的竟然是白蟻

在納米比亞沙漠間，分布著數(shù)千個神秘的禿斑圓圈，包圍著圓圈的是高高的草，這樣的景觀往往綿延數(shù)千米，從高空俯瞰，奇幻無比。人們對此提出了許多解釋，包括土壤中的物質(zhì)含量、隕石、不明飛行物甚至原住民死亡后的“鬼魂”。

有人認為這些圓圈是“仙女”創(chuàng)造的，也有人說是外星人曾光臨這些地區(qū)時留下來的“痕跡”。納米比亞當?shù)氐膫髡f認為，地底深處藏著一條巨龍，它呼出的毒氣殺死了地表的植被，形成了這些圓圈。

神秘的仙女圈確實讓人腦洞大開，人們提出各種猜想，但要講清楚其來源，還得靠科學(xué)考察和深入的研究。

2013年，德國漢堡大學(xué)的生物學(xué)家諾伯特·尤爾根斯宣稱自己發(fā)現(xiàn)了仙女圈形成的秘密。

尤爾根斯曾數(shù)十次往返納米比亞，花了6年多的時間研究仙女圈。在每個采樣的仙女圈中，他幾乎都發(fā)現(xiàn)了一種鼻白蟻科的沙地白蟻。而且，這些小家伙的巢穴幾乎總是位于仙女圈的中央，那里泥土濕度明顯高于圈外地帶。

尤爾根斯解釋說，這些白蟻在土壤中鉆洞時破壞了植物的根部，并以植物的根為食，才使圓圈內(nèi)的土壤變得貧瘠，植物不再生長。因此雨水可以徑直向下滲透，匯集到地下，生活在圓圈內(nèi)的白蟻便可在干燥的沙漠中獲得充足的水分和食物，在惡劣的環(huán)境中生存下來。尤爾根斯因此推斷，是白蟻造就了這些圓圈。

但美國佛羅里達州立大學(xué)的生物學(xué)家沃爾特·奇爾蓋爾對此持懷疑態(tài)度，他強調(diào)說，尤爾根斯混淆了因果關(guān)系。

南非開普敦大學(xué)的生物學(xué)家邁克爾·克雷默也認為“白蟻說”不符合常理。他發(fā)表在《公共圖書館·綜合》期刊上的研究認為，解釋仙女圈現(xiàn)象的理論，需要克服的主要障礙是解釋圓圈的規(guī)則分布、大小以及它們?yōu)楹问黔h(huán)狀?？死啄硎荆紫仦槭裁磿?dǎo)致如此大且均勻分布的圓圈的產(chǎn)生，尤爾根斯的理論并沒有解釋出真正的原因。

非生物過程觀點 與土壤水分養(yǎng)分及極端天氣有關(guān)

奇爾蓋爾曾研究指出，小型仙女圈平均只維持24年，而較大的仙女圈能夠存在75年。然而，他的研究并沒有確定仙女圈最初是如何形成的，以及它們?yōu)楹蜗А?/p>

但克雷默的團隊發(fā)現(xiàn)，是降雨多少決定了納米比亞沙漠里仙女圈的分布，仙女圈似乎只存在于降雨量穩(wěn)定而稀少的地區(qū)。如果降雨太多，大量植物將緩和對資源的競爭，這些仙女圈將關(guān)閉;如果降雨太少，競爭將變得異常激烈，仙女圈也將再次消失。由于仙女圈出現(xiàn)在這樣狹窄的濕度范圍內(nèi)，每年降雨量的差別，將導(dǎo)致它們忽然消失，或忽然再次出現(xiàn)。基于這個邏輯，研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠預(yù)測仙女圈的分布，精確度高達95%。此外，仙女圈之間規(guī)則間隔，可能是每一個圈周邊的草與其他圈之間為資源而競爭的結(jié)果。

當然，克雷默也不否認仙女圈與白蟻存在關(guān)聯(lián)。他認為，產(chǎn)生仙女圈是植物之間的競爭。白蟻則是第二現(xiàn)象，它的作用是仙女圈的維修工，能夠殺死在圈中央出現(xiàn)的草。

2014年，來自美國科羅拉多大學(xué)的邁克爾·克拉默和同事尼科爾·巴格測量了納米比亞仙女圈的大小和排列密度，也發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)都與土壤中的水分和養(yǎng)分含量有關(guān)。

與克雷默團隊觀點相似，他們認為如果當?shù)亟涤炅啃?、土壤貧瘠，地面上會形成許多巨型的仙女圈，這些沙土圈可以儲存水分、養(yǎng)分，并通過滲透供給周邊的植被;相反，如果當?shù)亟涤炅孔兇螅恋馗缓B(yǎng)分，則仙女圈會排布稀疏并變小。

總的來說，這些研究團隊都發(fā)現(xiàn)，仙女圈是植被在“搶奪”資源時所引起的一種自發(fā)現(xiàn)象。其資源競爭原理是：圓圈內(nèi)土壤中不生長植被，所以水分及養(yǎng)分含量高，充當著“水庫”的角色，可以向圓圈邊沿和圓圈外的植被滲透水和營養(yǎng)。

圖靈斑觀點 植被仙女圈模式可改變不利環(huán)境

多年來，來自德國哥廷根大學(xué)生態(tài)系統(tǒng)建模系的生態(tài)學(xué)家斯蒂芬·格津，也在關(guān)注這些神秘的仙女圈。2019年，格津團隊用無人機和野外氣象站采集數(shù)據(jù)，對澳大利亞西部的仙女圈再次展開了一系列研究。最近，他們發(fā)表論文稱，仙女圈竟然和通常用于解釋自然界中重復(fù)模式的圖靈斑有著千絲萬縷的關(guān)系。

格津團隊在草地生態(tài)系統(tǒng)中，分析了仙女圈內(nèi)外草的生長情況、大小與排布疏密程度以及土壤含水量。基于無人機的多光譜分析和空間顯式統(tǒng)計數(shù)據(jù)，他們測試了5個面積1公頃的樣板地，看草的活力是否取決于仙女圈模式。他們還檢查了高活力草叢和低活力草叢的關(guān)系，并在1平方米的小尺度上，評估了火災(zāi)后草木在不同演替階段的情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與低活力草相比，高活力草與仙女圈的系統(tǒng)相關(guān)性更高。“在自然科學(xué)中，將經(jīng)驗生態(tài)學(xué)和物理學(xué)聯(lián)系起來，是最具挑戰(zhàn)性但也是最有趣的努力之一。這些草通過形成對稱間隔的縫隙模式，積極地改造自己的環(huán)境。”格津說，植被得益于仙女圈提供的額外水分，即使在非常惡劣、干旱的條件下，也能保持生態(tài)系統(tǒng)的功能。如果沒有草類的自我組織，這個地區(qū)很可能變成沙漠。

根據(jù)圖靈斑的形成原理，生命力較強的植被應(yīng)當聚集在一起，而生命力較弱的植被則會隨機散布。他們關(guān)于生態(tài)學(xué)的發(fā)現(xiàn)，證明了仙女圈可以被圖靈斑圖解釋。在發(fā)表于《生態(tài)學(xué)雜志》的論文中，他們寫道：正如理論模型所預(yù)測的，仙女圈是干旱地區(qū)植被的重要額外水源，草是“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，可改變其不利的非生物環(huán)境，從而導(dǎo)致植被“自組織”。

延伸閱讀

圖靈模型可解釋動物身上各種斑紋

計算機之父艾倫·圖靈在普林斯頓大學(xué)時，提出了“通用計算機”的概念，鮮為人知的是，圖靈生命的最后幾年，其精力大多投入在數(shù)理生物學(xué)上，特別是對生物的圖案有過許多重要研究。

圖靈在觀察魚的胚胎發(fā)育時，發(fā)現(xiàn)胚胎初期階段所有細胞形態(tài)完全相同。但接下來，胚胎中不同部位的細胞開始各自聚攏，并朝不同形態(tài)發(fā)展。圖靈想知道是什么機制讓原本對稱的球狀胚胎發(fā)育成不對稱的胚胎，是什么打破了這種對稱性。1952年，圖靈發(fā)表了人類科學(xué)史上第一篇用數(shù)學(xué)模型解釋胚胎形成不對稱紋樣的論文，用二階拋物方程，模擬了生物體內(nèi)發(fā)生的這種“自組織”現(xiàn)象。

圖靈假設(shè)溶液中有兩種分子，分別稱作“激活劑”和“抑制劑”，通過不斷重復(fù)“激活—抑制”過程，就能形成重復(fù)的斑紋結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為圖靈斑。這套機制被命名為“反應(yīng)—擴散機制”，也叫圖靈模型。

20世紀80年代，美國生物學(xué)家詹姆斯·穆瑞發(fā)現(xiàn)，用圖靈模型可以解釋自然界動物身上的各種斑紋，如斑馬、長頸鹿、海螺等。哺乳動物通過作用于生成黑色素的基因通路，可產(chǎn)生從棕色到黑色的各種顏色。2012年，牛津大學(xué)科學(xué)家菲利普·邁尼等人發(fā)現(xiàn)兩組“激活劑—抑制劑”同時進行反應(yīng)，能夠生成豹皮上的半封閉圓環(huán)圖案。這正是圖靈模型的奇妙之處。

標簽： 仙女圈