Рис. 1. Так выглядят сверху загадочные сферы в пустыне Намиб: среди травы с определенной регулярностью размещены проплешины голой земли (диаметром 2–12 м), окруженные узкими «воротниками» немало густой травы. Фото с сайта smithsonianmag.com
Ученые предложили комплексную модель формирования так именуемых «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, какие уничтожают всю растительность над своими гнездами. Гнезда термитов, как выяснилось в ходе изыскания модели, могут образовываться с известной пространственной регулярностью, и, следственно, растительный покров над гнездами тоже приобретает правильно организованную конфигурацию. Добавление конкурентных отношений между растениями придает модели еще вящую реалистичность, объясняя образование новых кругов и зарастание престарелых, отсутствие проплешин в условиях влажного климата, а также вторичную неравномерность в распределении травянистого покрова между сферами. Это исследование обращает поиски причин образования подобных сфер в новое русло, указывая на необходимость изучения неучтенных до сих пор параметров.
«Чудесные сферы» (см. Fairy circle) в пустыне Намиб (рис. 1) признаны одной из загадок нашего поре. Почему в равномерном растительном покрове появляются голые пятна? И ладно бы эти нагие пятна обнаружились в каком-то одном месте, но нет — они тянутся на две тысячи километров сквозь всю Намибию от Южной Африки до Анголы. Следовательно, это не экзотический феномен, порожденный случайным стечением уникальных обстоятельств, а проявление сил, непременных на всей тысячекилометровой территории.
Нельзя сказать, что тайну намибийских «чудесных сфер» не пытались разгадать. Напротив, эти круги привлекли изрядное число научных усилий. Исследования их пространственного распределения, видового разнообразности, измерения состава почвы, ее влажности и др. параметров сформировали две альтернативных гипотезы. Обе эти гипотезы строятся на массивах фактических этих, поэтому они видятся равноправными.
Первая — пятна соответствуют поселениям термитов, какие съедают корни растений и отмершую биомассу. Таким манером, там, где имеется колония термитов, формируется проплешина, которая может поддерживаться кой-какое время и после отмирания колонии.
Вторая гипотеза ратифицирует, что узор растительного покрова формируется за счет конкуренции отдельных растений за влагу. Кругом участка активного роста травы влаги становится меньше, она перестает вырастать вокруг этого участка. Зато на самом участке добавочное затенение создает благоприятные условия для ее роста. Существует оптимальное соотношение заселенных и незаселенных участков, беспрерывное действие конкурентных и кооперативных сил создает регулярный узор в растительном покрове.
Приверженцы первой гипотезы опираются на согласованное благосклонность пятен и гнезд термитов и муравьев, исследования рациона термитов (они немедля съедают помещенные в круги ростки), измерения влажности грунты (она оказывается выше в кругах, чем вне кругов). Более высокая влажность в сферах благоприятна для существования термитов и определяется именно отсутствием растений.
Оппоненты — и, соответственно, адепты другой теории — возражают, что термиты не могут создать регулярного рисунка. Он неизбежно будет случайным, как и распределение термитных гнезд. Зато — и это мощный аргумент — в австралийской пустыне известны подобные круги, но при этом термитов в них нет и гнёзда термитов распределены по-иному, чем круги (рис. 2). По суждению приверженцев этой гипотезы, регулярный рисунок в растительном покрове может определяться только глобальными экологическими взаимодействиями конкуренции и взаимопомощи, похожими всегда и везде.
Рис. 2. «Чудесные круги» (проплешины красно-кирпичной грунты) в Австралии, в засушливом районе Пилбара (см. Pilbara), занимающие площадь возле полутора тысяч кв. км; распределение термитов и муравьев в этом зоне не соответствует распределению растительности. Из статьи: S. Getzin et al, 2016. Discovery of fairy circles in Australia supports self-organization theory
Противостояние двух гипотез отведали разрешить специалисты с факультета экологии и эволюционной биологии Принстонского университета (США) совместно 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 какой учли оба фактора — и «подрывную» деятельность термитов, и конкуренцию растений за драгоценную влагу.
Во-первых, они проверили на модели, может ли сформироваться регулярный рисунок в растительном покрове в результате термитной «зачистки». Для этого потребовалось принять следующие простые, но вполне реалистичные условия. Термитные колонии имеют определенную кормовую территорию, и чем крупнее гнездо, тем вяще эта территория. Термитные колонии конкурируют за территорию, если плотность колоний становится большенный. Молодые колонии строятся на свободных территориях, но могут быть истреблены крупной колонией по соседству. И наконец, время жизни колонии ограничено, то кушать даже крупная колония перестает существовать через популярное время.
Все эти биологические свойства имеют количественные выражения, какие стали параметрами этой модели. Параметры были высчитаны на основе распределения нескольких популяций муравьев и термитов на различных континентах. Реализация модели с параметрами для разных популяций показала, что формирование регулярностей в благосклонности гнезд социальных насекомых — это вполне вероятное явление. Так что одинешенек из доводов противников «термитной» теории снимается: гнезда социальных насекомых распределяются в пространстве упорядоченным манером, и, как следствие, их кормовые территории — «чудесные круги» — тоже получают популярную упорядоченность.
Если наложить на эту модель несколько правил из жития растений, то полученная модельная картина еще больше приблизится к реальности. Эти правила, то кушать модель самоорганизации растительного покрова в локальных условиях в подневольности от влажности, предполагают, во-первых, конкуренцию за влагу и интенсивный роста муравы во влажных местах, во-вторых, формирование вокруг себя порожнего пространства за счет локального исчерпания влаги, в-третьих, при росте рядышком с соседями рост растений ускоряется за счет взаимного затенения. Также учитывается изменение скорости роста при всеобщем изменении влажности — например, если наступает дождливый сезон. Для этой модели тоже бывальщины подсчитаны соответствующие параметры для разных климатов.
Объединенная модель дала в итоге очень правдоподобные детали, которые не получаются в обеих моделях, взятых по-отдельности (рис. 3). Одна из таких особенностей объединенной модели — образование плотный травянистой оторочки «чудесных кругов». Съедая растения над своим гнездом, термиты не лишь убирают потребителей влаги, но и рыхлят почву. В результате в сфере накапливается влага, вокруг этого влажного пятна может вырастать больше растений. Их корни направлены к центру пятна.
Рис. 3. Специфическое растительное покрытие между «чудесными кругами» (пример намибийских сфер): а — общий вид; b — пространство между кругами с вторичными неравномерностями покрытия; с — имитация того же покрытия в модели, мурава показана зеленым цветом на фоне коричневой земли; масштаб равный в b и с; d — анализ (Фурье) площадей вторичных пятен травы в модели и реальных этих. Видно, что характер роста травы между пятнами весьма сходный, следовательно, он удовлетворительно объясняется предложенной моделью. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Иной результат объединенной модели — быстрое зарастание кругов при повышении числа осадков. Если количество осадков увеличивается, то скорость роста муравы становится выше, чем скорость утилизации ее насекомыми. Это объясняет отсутствие проплешин в условиях немало влажного климата; там, напротив, как и предсказывает модель, существуют немало густо заросшие участки растительности над гнездами.
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 показались вторичные, более мелкомасштабные узоры. Действительно, в пространствах между пятнами мурава растет тоже неравномерно, формируя густые скопления, перемежающиеся участками негустой травы. Как ни удивительно, но объединенная модель показала и эти густые и неимущие участки. Их площадь и распределение хорошо согласуется с реальной полотном.
Рис. 5. Необычное распределение растительности (такой тип называется murundus, что переводится как «вящие 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 потребовало бы новых вопросов и новых споров. Один из них — приложима ли модель ко всем подобным явлениям, а кроме намибийских и австралийских «чудесных сфер» 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 Нордовой Америке.
Рис. 6. Холмы Мима (Mima Mounds) в прериях на территории штата Вашингтон (США). Фото с сайта darkroastedblend.com
Так, в австралийских «чудесных сферах» (см. рис. 2) влага в почве распределяется совсем не так, как в намибийских сферах. Там вне кругов почва более влажная, чем внутри кругов, а сферы сверху прикрыт влагонепроницаемой затвердевшей глинистой коркой. Влага стекает с этой корки к кромкам, создавая по окружности избыток влаги. Поэтому по окружности проплешин и вырастает травянистая оторочка «чудесного сферы». Это объяснение не менее логично, чем комплексная термитно-экологическая модель. Так что при сравнении австралийских и намибийских сфер ученым теперь нужно будет задаться вопросом о зарождении сферы и о том, почему над ними может образоваться глинистая корка. А для этого необходим другой набор данных. Таким образом, публикация в Nature не поставила точку в загадке чудесных сфер, а придала поиску новое направление.
