«Чудесные круги» в пустыне Намиб можно смоделировать

Рис. 1. Так выглядят сверху загадочные круги в Намибийской пустыне: среди травы с определенной регулярностью расположены проплешины голой земли (диаметром 2–12 м), окруженные узкими «воротниками» более густой травы

Рис. 1. Так выглядят сверху загадочные круги в пустыне Намиб: среди травы с определенной регулярностью расположены проплешины голой земли (диаметром 2–12 м), окруженные узкими «воротниками» более густой травы. Фото с сайта smithsonianmag.com

Ученые предложили комплексную модель формирования так называемых «чудесных кругов» в Намибии — регулярного узора проплешин в растительном покрове пустыни. Эта модель учитывает конкуренцию растений за влагу, что является ведущим фактором в засушливом климате, а также деятельность термитов, которые уничтожают всю растительность над своими гнездами. Гнезда термитов, как выяснилось в ходе исследования модели, могут образовываться с известной пространственной регулярностью, и, следовательно, растительный покров над гнездами тоже приобретает правильно организованную форму. Добавление конкурентных отношений между растениями придает модели еще большую реалистичность, объясняя образование новых кругов и зарастание старых, отсутствие проплешин в условиях влажного климата, а также вторичную неравномерность в распределении травянистого покрова между кругами. Это исследование обращает поиски причин образования подобных кругов в новое русло, указывая на необходимость изучения неучтенных до сих пор параметров.

«Чудесные круги» (см. Fairy circle) в пустыне Намиб (рис. 1) признаны одной из загадок нашего времени. Почему в равномерном растительном покрове появляются голые пятна? И ладно бы эти голые пятна обнаружились в каком-то одном месте, но нет — они тянутся на две тысячи километров через всю Намибию от Южной Африки до Анголы. Следовательно, это не экзотический феномен, порожденный случайным стечением уникальных обстоятельств, а проявление сил, обязательных на всей тысячекилометровой территории.

Нельзя сказать, что тайну намибийских «чудесных кругов» не пытались разгадать. Напротив, эти круги привлекли изрядное количество научных усилий. Исследования их пространственного распределения, видового разнообразия, измерения состава почвы, ее влажности и др. параметров сформировали две альтернативных гипотезы. Обе эти гипотезы строятся на массивах фактических данных, поэтому они видятся равноправными.

Первая — пятна соответствуют поселениям термитов, которые съедают корни растений и отмершую биомассу. Таким образом, там, где имеется колония термитов, формируется проплешина, которая может поддерживаться некоторое время и после отмирания колонии.

Вторая гипотеза утверждает, что узор растительного покрова формируется за счет конкуренции отдельных растений за влагу. Вокруг участка активного роста травы влаги становится меньше, она перестает расти вокруг этого участка. Зато на самом участке дополнительное затенение создает благоприятные условия для ее роста. Существует оптимальное соотношение заселенных и незаселенных участков, постоянное действие конкурентных и кооперативных сил создает регулярный узор в растительном покрове.

Приверженцы первой гипотезы опираются на согласованное расположение пятен и гнезд термитов и муравьев, исследования рациона термитов (они немедленно съедают помещенные в круги ростки), измерения влажности почвы (она оказывается выше в кругах, чем вне кругов). Более высокая влажность в кругах благоприятна для существования термитов и определяется именно отсутствием растений.

Оппоненты — и, соответственно, адепты второй теории — возражают, что термиты не могут создать регулярного узора. Он неизбежно будет случайным, как и распределение термитных гнезд. Зато — и это сильный аргумент — в австралийской пустыне известны подобные круги, но при этом термитов в них нет и гнёзда термитов распределены иначе, чем круги (рис. 2). По суждению приверженцев этой гипотезы, регулярный узор в растительном покрове может определяться только глобальными экологическими взаимодействиями конкуренции и взаимопомощи, сходными всегда и везде.

Рис. 2. «Чудесные круги» (проплешины красно-кирпичной почвы) в Австралии, в засушливом районе Пилбара

Рис. 2. «Чудесные круги» (проплешины красно-кирпичной почвы) в Австралии, в засушливом районе Пилбара (см. Pilbara), занимающие площадь около полутора тысяч кв. км; распределение термитов и муравьев в этом районе не соответствует распределению растительности. Из статьи: S. Getzin et al, 2016. Discovery of fairy circles in Australia supports self-organization theory

Противостояние двух гипотез попробовали разрешить специалисты с факультета экологии и эволюционной биологии Принстонского университета (США) вместе с коллегами из Исследовательского центра Мпала (Кения), Университета Айдахо (США), Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) и Стратклайдского университета в Глазго (Великобритания). Они составили модель, в которой учли оба фактора — и «подрывную» деятельность термитов, и конкуренцию растений за драгоценную влагу.

Во-первых, они проверили на модели, может ли сформироваться регулярный узор в растительном покрове в результате термитной «зачистки». Для этого понадобилось принять следующие простые, но вполне реалистичные условия. Термитные колонии имеют определенную кормовую территорию, и чем крупнее гнездо, тем больше эта территория. Термитные колонии конкурируют за территорию, если плотность колоний становится большой. Молодые колонии строятся на свободных территориях, но могут быть уничтожены крупной колонией по соседству. И наконец, время жизни колонии ограничено, то есть даже крупная колония перестает существовать через известное время.

Все эти биологические свойства имеют количественные выражения, которые стали параметрами этой модели. Параметры были подсчитаны на основе распределения нескольких популяций муравьев и термитов на разных континентах. Реализация модели с параметрами для разных популяций показала, что формирование регулярностей в расположении гнезд социальных насекомых — это вполне вероятное явление. Так что один из доводов противников «термитной» теории снимается: гнезда социальных насекомых распределяются в пространстве упорядоченным образом, и, как следствие, их кормовые территории — «чудесные круги» — тоже получают известную упорядоченность.

Если наложить на эту модель несколько правил из жизни растений, то полученная модельная картина еще больше приблизится к реальности. Эти правила, то есть модель самоорганизации растительного покрова в локальных условиях в зависимости от влажности, предполагают, во-первых, конкуренцию за влагу и интенсивный роста травы во влажных местах, во-вторых, формирование вокруг себя пустого пространства за счет локального исчерпания влаги, в-третьих, при росте рядом с соседями рост растений ускоряется за счет взаимного затенения. Также учитывается изменение скорости роста при общем изменении влажности — например, если наступает дождливый сезон. Для этой модели тоже были подсчитаны соответствующие параметры для разных климатов.

Объединенная модель дала в результате очень правдоподобные детали, которые не получаются в обеих моделях, взятых по-отдельности (рис. 3). Одна из таких особенностей объединенной модели — образование густой травянистой оторочки «чудесных кругов». Съедая растения над своим гнездом, термиты не только убирают потребителей влаги, но и рыхлят почву. В результате в круге накапливается влага, вокруг этого влажного пятна может расти больше растений. Их корни направлены к центру пятна.

Рис. 3. Характерное растительное покрытие между «чудесными кругами» (пример намибийских кругов)

Рис. 3. Характерное растительное покрытие между «чудесными кругами» (пример намибийских кругов): а — общий вид; b — пространство между кругами с вторичными неравномерностями покрытия; с — имитация того же покрытия в модели, трава показана зеленым цветом на фоне коричневой земли; масштаб одинаковый в b и с; d — анализ (Фурье) площадей вторичных пятен травы в модели и реальных данных. Видно, что характер роста травы между пятнами очень сходный, следовательно, он удовлетворительно объясняется предложенной моделью. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Другой результат объединенной модели — быстрое зарастание кругов при повышении количества осадков. Если количество осадков увеличивается, то скорость роста травы становится выше, чем скорость утилизации ее насекомыми. Это объясняет отсутствие проплешин в условиях более влажного климата; там, напротив, как и предсказывает модель, существуют более густо заросшие участки растительности над гнездами.

Рис. 4. Хьювелтжи (в переводе означает «небольшие холмы») в национальном парке Тигерберг (Tygerberg Nature Reserve)

Рис. 4. Хьювелтжи (в переводе означает «небольшие холмы») в национальном парке Тигерберг (Tygerberg Nature Reserve) в ЮАР. Фото с сайта cameratrap.mywild.co.za

И кроме того, в модельной имитации растительного покрова появились вторичные, более мелкомасштабные узоры. Действительно, в пространствах между пятнами трава растет тоже неравномерно, формируя густые скопления, перемежающиеся участками редкой травы. Как ни удивительно, но объединенная модель показала и эти густые и бедные участки. Их площадь и распределение хорошо согласуется с реальной картиной.

Рис. 5. Необычное распределение растительности (такой тип называется мурундус, что переводится как «большие кучи земли») в национальном парке Эмас в Бразилии

Рис. 5. Необычное распределение растительности (такой тип называется murundus, что переводится как «большие кучи земли») в национальном парке Эмас в Бразилии. Фото © Edu Jung с сайта panoramio.com

Но наука не была бы наукой, если бы предложенное решение не вызвало бы новых вопросов и новых споров. Один из них — приложима ли модель ко всем подобным явлениям, а кроме намибийских и австралийских «чудесных кругов» есть еще хьювелтжи (рис. 4) (Heuweltjie) в Западно-Капской провинции ЮАР, «campos de murundus» в Бразилии (рис. 5) (см. A. T. de Oliveira-Filho, 1992. The Vegetation of Brazilian 'Murundus'-the Island-Effect on the Plant Community), Холмы Мима (Mima mounds) в Северной Америке.

Рис. 6. Холмы Мима (Mima Mounds) в прериях на территории штата Вашингтон (США)

Рис. 6. Холмы Мима (Mima Mounds) в прериях на территории штата Вашингтон (США). Фото с сайта darkroastedblend.com

Так, в австралийских «чудесных кругах» (см. рис. 2) влага в почве распределяется совсем не так, как в намибийских кругах. Там вне кругов почва более влажная, чем внутри кругов, а круг сверху прикрыт влагонепроницаемой затвердевшей глинистой коркой. Влага стекает с этой корки к краям, создавая по окружности избыток влаги. Поэтому по окружности проплешин и вырастает травянистая оторочка «чудесного круга». Это объяснение не менее логично, чем комплексная термитно-экологическая модель. Так что при сравнении австралийских и намибийских кругов ученым теперь нужно будет задаться вопросом о зарождении круга и о том, почему над ними может образоваться глинистая корка. А для этого нужен другой набор данных. Таким образом, публикация в Nature не поставила точку в загадке чудесных кругов, а придала поиску новое направление.

Источник: Corina Tarnita, Juan Bonachela, Efrat Sheffer, Jennifer A. Guyton, Tyler C. Coverdale, Ryan A. Long & Robert M. Pringle. A theoretical foundation for multi-scale regular vegetation patterns // Nature. 2017. V. 541. P. 398–401.

Елена Наймарк


3
Показать комментарии (3)
Свернуть комментарии (3)

  • Anton  | 26.01.2017 | 15:22 Ответить
    (Так что при сравнении австралийских и намибийских кругов ученым теперь нужно будет задаться вопросом о зарождении круга и о том, почему над ними может образоваться глинистая корка.)
    воздействие ветра? ветер переносит пылевые частицы, эти частицы оседают и аккумулируются на участках густых скоплений растительности в большей мере чем на голых участках между скоплений. В итоге, со временем, формируется глинистая крышка, препятствующая увлажнению почвы и растительность деградирует, получается проплешина..
    Ответить
  • Олег Чечулин  | 27.01.2017 | 04:20 Ответить
    Строго говоря, это не круги :)
    Ответить
  • Юрий Федоров  | 02.02.2017 | 12:41 Ответить
    Система моделирования, которой удаётся получить нужный результат и в случае, когда в центре избегаемого растениями пятна влажнее, и когда в центре такого пятна суше - чудесно гибкая система.
    И, очевидно, столь же хорошо смоделирует ситуацию,где в центре пустого пятна влажность строго равна влажности по периметру и за периметром пятна, а также если при этих же всех типах распределения влажности пятно оказывается впадиной, или выпуклостью, покрыто коркой глины, льда, пирога с малиной, имеетформу овала, ромба, звезды Давида и листа мебиуса.
    Мощный инструмент изучения природы, имеющий колоссальные предсказательные возможности.
    Всем на зависть.
    Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»