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象，在幹旱草原的地表，會神秘地出現植物無法生長的裸露圓斑，這種現象被稱爲 " 仙女怪圈 "。
圖片來源：參考文獻 [ 6 ]
神秘的 " 仙女怪圈 "：
奇特的植被分布圖案
納米布沙漠風景獨特，荒涼蕭瑟卻又壯麗無比。這些怪圈在納米布沙漠沿線的幹旱草原廣爲分布，多至上百萬個，直徑 2～12 米不等。每一個圓圈裏都是裸露的沙土，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幹旱草原中均勻分布，構成了奇特的圖案。從空中鳥瞰，它們就如同散布在織物上密密麻麻的圓點。
在當地人的傳說中，這些神秘的圓圈是 " 神的足迹 "，甚至有故事傳說，在納米布沙漠草原的地下潛伏着巨龍，龍在地下吐出的毒氣緻使怪圈裏面寸草不生。除此之外，也有人聯想到麥田怪圈，認爲這些圓圈是不明飛行物着陸而留下的痕迹。
俯瞰納米布沙漠。圖片來源：維基百科
争議不休：
關于 " 仙女怪圈 " 的觀點
交鋒近半個世紀以來，科學家一直試圖破解 " 仙女怪圈 " 的成因，但是合理解釋這種神秘的自然現象存在很多實際困難。" 仙女怪圈 " 的起源一直處于不斷的争論之中，由此也産生了多種不同的說法。
最爲主流的說法有兩種。
第一種說法是圈内植物死亡是白蟻啃食植物根部所緻。在這一觀點中，動物活動首先被假設爲導緻 " 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
德國植物學家于爾根斯（Juergens）等人認爲，在當地草原栖息的沙地白蟻具有根草食性，會在剛發芽的草根上覓食并因此殺死植物，導緻形成沒有植被的裸露區域；
又或是白蟻爲了不讓蟻窩附近的地下水流失，會吃掉草葉以避免蒸散。這種理論聽起來較爲簡單，因此很容易被人們接受。
但是此後很多研究人員對 " 仙女怪圈 " 進行了廣泛的實地挖掘，大多數考察結果都表明在這片區域内，甚至不存在白蟻或其巢穴，某些 " 仙女怪圈 " 與白蟻的相關性也沒有因果關系。無論是沙地白蟻還是其他在 " 仙女怪圈 " 栖居的動物，都沒有證據顯示它們對圈中植物的根系造成了損害。
第二種說法認爲，" 仙女怪圈 " 的形成與植物的自組織行爲有關。這種理論認爲，怪圈的形成是植物争奪納米比亞稀缺水源的結果。植物通過根系從土壤中提取水分，在競争過程中導緻了圈内植物的幹旱死亡。這種理論在最新的研究結果中得到了進一步的證實。
在納米布沙漠地區，由于這片沙漠極度幹旱、降水不可預測，一年生牧草的生長是對罕見降水事件的不穩定的短期反應。" 仙女怪圈 " 的形成與降雨有着密切的聯系。降雨過後，由于新長出來的草隻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，就需要在降雨後的田野調查中把握好時機。
圖片來源：維基百科
迷霧漸散：
一場植物之間的水資源 " 争奪賽 "
德國生态學家格津（Getzin）等人爲了解開 " 仙女怪圈 " 之謎已經在納米布沙漠地區跟蹤考察了多年。
在 2022 年 10 月他們發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，并在引發草種子萌發生長的降雨後不同時間間隔評估了 " 仙女怪圈 " 内草死亡的原因，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，研究新出現的草在空間和時間上如何影響土壤水分含量。結果表明，" 仙女怪圈 " 中草的死亡原因并非白蟻活動導緻。
同時，測量分析結果也發現，仙女怪圈和基質之間的水滲透速率沒有系統性差異。由此得出，植物萎蔫并非由 " 仙女怪圈 " 内更快的滲透速度造成的。
然而，土壤水分測量記錄卻表明，降雨後 " 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 " 中的草才會在降雨後立即死亡。換句話說，圈中的植物是因爲圈外植物争搶水分而導緻缺水死亡的。這一結果表明，納米比亞的 " 仙女怪圈 " 是由生态水文反饋而引起的自組織植被現象。
在過去的研究中，生态學家們一直認同 " 仙女怪圈 " 可儲存地下水這一說法，" 仙女怪圈 " 内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生在 30～100cm 的深度，而新的植物幼苗通常隻能在上層土壤層中發芽，圈内上層幹燥的土壤無法支持植物的生存。
圖片來源：維基百科
根據植被自組織理論，在幹旱條件下，由于 " 仙女怪圈 " 周圍的草之間的生态水文反饋耗盡了上層土壤水分，因此，" 仙女怪圈 " 間隙内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，植被恢複幾乎不可能。研究團隊曾經目睹了在罕見的強降雨之後，裸露的土壤重新變成茂密的草層。
在納米布沙漠地區，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 " 作用導緻了納米布沙質土壤中的逆相空間生物量 - 水分分布，從而導緻植被間隙的形成。
基于其他研究團隊先前的實地調查，已證明水可在短時間内在 " 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，導緻了整體範圍内自組織斑塊的形成。
" 仙女怪圈 " 的間隙以及旱地相關的植被條紋和斑點的周期性形成模式，正好反映了該地區沒有足夠的降雨來維持連續的植物層的生長。
納米布沙漠。圖片來源：維基百科
總體而言，這項研究确定了由 " 仙女怪圈 " 周圍的草所積極誘導的生态水文反饋效應和橫向土壤水分擴散兩方面因素，是最有可能導緻 " 仙女怪圈 " 内植物水分脅迫，并最終導緻 " 仙女圈 " 内植物快速死亡的機制。
吸收擴散反饋破壞了均勻植被的穩定性，從而導緻了所謂的" 圖靈模式 "。
在這裏順便解釋一下，數學家艾倫 · 圖靈在 1951 年提出的著名的 " 形态發生反應擴散理論 "，因此圖靈的模型也被稱爲反應擴散機制，該理論成爲了理論生物學的基本模型。
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）如何從均勻的狀态中自然産生，這種圖案模式被稱爲圖靈模式（Turing patterns）。
基于圖靈模式理論，科學家們可以用數學解釋化學和生物系統中形成的穩定結構和規律的重複斑圖，例如老虎和斑馬魚的條紋、豹子身上的花斑等等。
結語
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内的土壤濕度，充當着 " 生态系統工程師 " 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 " 内生長，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沙土中，" 仙女怪圈 " 極爲規則的、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匮乏的環境中生存至關重要，同時也導緻了 " 仙女怪圈 " 這種奇特的植被間隙模式的出現。
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.
策劃制作
出品｜科普中國
作者｜黎茵 中山大學生命科學學院
監制 | 中國科普博覽
責編丨楊雅萍
往期
精選
本文封面圖片及文内圖片來自版權圖庫
轉載使用可能引發版權糾紛
原創圖文轉載請後台回複 " 轉載 "
點亮 " 在看 "
一起長知識！
