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这些神秘圆圈,与图灵的理论有关?

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文章来源:原理

如果你去到位于非洲南部的纳米比亚沙漠,可以看到这样一幅令人惊叹的风景:正常生长的草丛中间出现了上千个均匀排列的圆圈,它们大小不等,直径大多在2-15米。这些圆圈中的草十分稀疏,有的圆圈中甚至寸草不生。

纳米比亚的仙女圈。| 图片来源:Thorsten Becker / Wikimedia Commons

不止在非洲,这些神奇的圆圈还出现在澳大利亚西部的皮尔巴拉和美国的爱达荷州等地,这些地区都有着大片干旱贫瘠的土地。这一自然奇观被称为“仙女圈”,它是自然界最大的谜团之一。

有人认为这些圆圈是“仙女”创造的,也有人说外星人曾在这些地区着陆。纳米比亚当地还流传着这样一个传说:在地下深处生活着一条巨龙,它呼吸时的毒气杀死了地上的植被,形成了这些圆圈。

这些民间传说的想象力十分丰富,而科学研究则尝试从科学的角度给出合理的解释。虽然尚无定论,但研究人员已经提出了很多种不同的假说。

NorbertJuergens是一位对仙女圈十分着迷的生态学家,他曾前往纳米比亚多达40次,对仙女圈进行了为期6年的研究。几乎在每个被采样的仙女圈中,他都发现了一种名为Psammmotermes allocerus的白蚁。

2013年,Juergens提出,创造仙女圈的“仙女”正是这种白蚁。他解释说,这些白蚁在土壤中钻洞时破坏了植物的根部,并会以植物的根为食,这使圆圈内的土壤变得贫瘠,植物不再生长。这样一来,雨水可以径直向下渗透,并汇集在地下。于是,生活在圆圈内的白蚁便可以在干燥的沙漠中获得充足的水分和食物,在恶劣的环境中生存下来。

2019年,哥廷根大学的Stephan Getzi和同事们对澳大利亚的48个仙女圈进行了研究,他们认为,虽然在仙女圈中发现了白蚁,但白蚁与仙女圈的形成并无关联,凭借白蚁无法造成这么大规模且排列密集的圆圈。他们研究了仙女圈区域的土壤压实度黏粒含量,表明仙女圈是由非生物过程形成的,例如旋风中的大雨、极端高温和蒸发等。

然而,这两种说法目前都未得到普遍认可,目前对于仙女圈的主流解释另有其他。

2014年,科罗拉多大学的Michael Cramer和同事Nichole Barger测量了纳米比亚仙女圈的大小和排列密度,发现这些数据都与土壤中的水分和养分含量有关。

如果地区的降雨量较小,土壤贫瘠,地面上则会形成大量巨型的仙女圈,这些圆圈可以储存水分和养分并通过渗透的方式提供给周边的植被。相反,如果地区的降雨量较大,土地富含养分,则仙女圈会排布稀疏并变小。总结来说,仙女圈是植被进行资源竞争时所引起的一种自发的现象

资源竞争原理:圆圈中土壤中不生长植被,所以水分及养分含量高,充当着“水库”的角色,可以向圆圈边沿和圆圈外的植被渗透水和营养。| 图片来源:[4]

近期,关于仙女圈的研究又有了新的进展。Stephan Getzi利用无人机和野外气象站采集数据,对澳大利亚西部的仙女圈再次展开了一系列研究,发现仙女圈与图灵斑图(Turing pattern)有着千丝万缕的关系。

艾伦·图灵(Alan Turing)在破译代码和人工智能方面的成就更为人所知,但图灵其实同样长期从事生物数学的研究。

上世纪中叶,图灵提出,如果有两种特定的物质(分子、细胞等),其中一种可以促进图案的生成,一种抑制图案的生成。这两种物质反应扩散,会自发地组织成斑纹、条纹、环纹、螺旋或是斑点等结构。这些结构被称为图灵斑图,在生物界,它常常被用来解释斑马鱼和豹身上的条纹。

反应扩散方程,它描述了反应扩散理论中的两种化学物质是如何进行反应和扩散的。| 参考来源:[7]

一些早期对仙女圈的研究表明,图灵斑图可能适用于仙女圈,而Stephan Getzin的研究通过大量无人机拍摄的图片和气象站的数据,分析了仙女圈内外草的生长情况、仙女圈的大小与排布疏密程度以及土壤的含水量,对图灵斑图的假说进行了验证。

如果仙女圈图案符合图灵斑图,那么仙女圈的生成就不是随机的,而是与植物的生长状态有关。研究发现,由于仙女圈内无植被的土壤可以储存水分,其附近的植被汲取了更多的水分,比其他区域的植被生命力更强。这些生命力强的植被非常有规律地呈现出接近六边形的排列方式,与反应扩散模型的模拟结果相符。

另外,根据图灵斑图的形成原理,生命力较强的植被应当聚集在一起,而生命力较弱的植被则会随机散布。实地观察结果与这一假设相符,进一步证明了仙女圈可以被图灵斑图解释。

干旱地区的植被就像生态系统的工程师一样,它们通过仙女圈的方式重新分配了生态系统中的水资源,调节自身所处的生态环境。因此,即使在非常干燥恶劣的条件下,生态系统也能正常运转。如果植被没有自发地进行调节,这些地区可能就会变成大片土壤裸露的沙漠。

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参考来源:

[1] https://www.nytimes.com/2013/03/29/science/fairy-circles-in-africa-may-be-work-of-termites.html?_r=0

[2] https://arstechnica.com/science/2013/03/by-building-fairy-circles-termites-engineer-their-own-ecosystem/

[3] http://www.sci-news.com/biology/australian-fairy-circles-06947.html

[4] https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0070876

[5] https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200922102429.htm

[6] Stephan Getzin, Todd E。 Erickson, Hezi Yizhaq,Miriam Muñoz‐Rojas, Andreas Huth, Kerstin Wiegand。 Bridging ecology and physics:Australian fairy circles regenerate following model assumptions onecohydrological feedbacks。 Journal of Ecology, 2020; DOI:10.1111/1365-2745.13493

[7] https://teamhoudini.wordpress.com/2018/10/05/pattern-formation-alan-turing/

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