遍布世界的植物「精靈圈」，是怎麼長出來的？

當植物和蟲子對資源存在競爭時，全世界的植物都可能形成「精靈圈」。這不是魔法。

翻譯 韓宇

審校 卓思琪

位於巴西的土丘和 murundus。樹只在土丘頂部生長。

圖片來源：Edu Jung

精靈圈指的在達片植物生長的地方，由植物貧瘠的的圓圈狀，它們通常被一圈茂盛生長的草所包圍，直徑在2-15米不等。它們看起來有點兒像麥田圈，又有點兒像土方藝術。在全世界，它們擁有很多名字：在非洲納米布沙漠形成的叫「精靈圈（fairy circles）」；在巴西叫，它們被稱作 「murundus」；在北美，它便是最為人所熟知的「美馬冢（Mima mounds）」。

普林斯頓大學的生態學家 Corina E. Tarnita 及同事在Nature上發文，稱之為「元素過分散（均布）景觀（landscapes of overdispersed (evenly spaced) elements）」。這些區域的所有植物都長成了如此完美對稱的大規模圖案，這似乎有些不正常。

生態學家們熱烈地討論著這些圖案的成因是否有相同點，其中，「植物協作」和「昆蟲競爭」成為了最熱門的假設。在水資源匱乏和不規律的地區，植物會運行「尺度依賴反饋」機制，它們在廣闊的區域中聚集成一簇簇，而不是鋪散開生長。

這樣的機制使得植物成簇生長，植株的大小被限制，從而可以更好地利用水分。同時，該策略也保證了生殖成功。這大概也可解釋精靈圈和美馬冢的形成原因了。

但一些科學家反駁這一說法，他們認為是敵對的白蟻家族瓜分了這些區域的水資源。它們將水從乾旱地區吸走，然後移至它們築巢的土丘。另外，成功的蟻穴擁有大致相當的領土面積，這也許就能解釋為什麼那麼多奇怪的區域同時存在土丘和乾旱斑塊。

研究者正在納米布沙漠中檢測一個精靈圈的結構。注意植物在空白圓圈周圍成簇的生長為環形。

圖片來源：Tyler Coverdale

Tarnita 和同事在文章中提出，植物和白蟻可能存在一種非比尋常的相互作用。它們都試圖在乾旱區域維持自身對水資源的獲取。藉助計算機模型對植物和昆蟲生命周期的還原，研究者可以得到和精靈圈一模一樣的圖案。

Tarnita 在接受採訪時驚訝地說道：「能夠得到如此完整而美麗的幾何圖案，簡直太神奇了。如此渺小的生物只是每天在自己的地盤上做它們該做的事情，最後竟然製造出了難以置信的大規模圖案……大自然簡直太神奇了。」

儘管我們還不確定是何種力量造成這些神秘而整齊的景觀，但 Tarnita 及同事的模型幫助我們又向真相邁進了一步。

他研究者認為，我們正處於了解生態自組織的新時代，其中一部分原因是衛星圖像為觀察像精靈圈這樣的圖案特徵提供了便利，但也僅僅是理解「生命群落是如何通過相互作用產生這種奇異分割環境」的開端。

科學家們呼籲道：「要集中理論和經驗，努力找到多種機制跨尺度相互作用以構建生態系統的方法。」

大自然從不像看上去的那麼簡單。

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論文信息

【題目】A theoretical foundation for multi-scaleregular vegetation patterns

【作者】Corina E. Tarnita, Juan A. Bonachela, EfratSheffer, Jennifer A. Guyton, TylerC. Coverdale, Ryan A.Long & Robert M. Pringle

【刊期】Nature 541, 398–401

【發表日期】18 January 2017

【DOI】10.1038/nature20801

【摘要】Self-organized regular vegetation patternsare widespread and thought to mediate ecosystem functions such as productivityand robustness, but the mechanisms underlying their origin and maintenanceremain disputed. Particularly controversial are landscapes of overdispersed(evenly spaced) elements, such as North American Mima mounds, Brazilian murundus,South African heuweltjies, and, famously, Namibian fairy circles. Two competinghypotheses are currently debated. On the one hand, models of scale-dependent feedbacks,whereby plants facilitate neighbours while competing with distant individuals,can reproduce various regular patterns identified in satellite imagery. Owingto deep theoretical roots and apparent generality, scale-dependent feedbacksare widely viewed as a unifying and near-universal principle of regular-patternformation despite scant empirical evidence. On the other hand, manyoverdispersed vegetation patterns worldwide have been attributed tosubterranean ecosystem engineers such as termites, ants, and rodents. Althoughpotentially consistent with territorial competition, this interpretation hasbeen challenged theoretically and empirically and (unlike scale-dependentfeedbacks) lacks a unifying dynamical theory, fuelling scepticism about its plausibilityand generality. Here we provide a general theoretical foundation forself-organization of social-insect colonies, validated using data from fourcontinents, which demonstrates that intraspecific competition betweenterritorial animals can generate the large-scale hexagonal regularity of thesepatterns. However, this mechanism is not mutually exclusive withscale-dependent feedbacks. Using Namib Desert fairy circles as a case study, wepresent field data showing that these landscapes exhibit multi-scalepatterning—previously undocumented in this system—that cannot be explained byeither mechanism in isolation. These multi-scale patterns and other emergentproperties, such as enhanced resistance to and recovery from drought, insteadarise from dynamic interactions in our theoretical framework, which couplesboth mechanisms. The potentially global extent of animal-induced regularity invegetation—which can modulate other patterning processes in functionallyimportant ways—emphasizes the need to integrate multiple mechanisms ofecological self-organization.