黎茵

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(xiàn)象。在干旱草原的地表，會神秘地出現(xiàn)植物無法生長的裸露圓斑，這種現(xiàn)象被稱為“仙女怪圈”。

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干旱草原廣為分布，多至上百萬個，直徑2～12米不等。每一個圓圈里都是裸露的沙土，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干旱草原中均勻分布，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?shù)厝说膫髡f中，這些神秘的圓圈是“神的足跡”，甚至有故事傳說，在納米布沙漠草原的地下潛伏著巨龍，龍在地下吐出的毒氣致使怪圈里面寸草不生。除此之外，也有人聯(lián)想到麥田怪圈，認為這些圓圈是不明飛行物著陸而留下的痕跡。

爭議不休：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(xiàn)象存在很多實際困難。“仙女怪圈”的起源一直處于不斷的爭論之中，由此也產(chǎn)生了多種不同的說法。最為主流的說法有兩種。

第一種說法是，圈內(nèi)植物死亡是白蟻啃食植物根部所致。在這一觀點中，動物活動首先被假設為導致“仙女怪圈”形成的原因，尤其是沙地白蟻的假說。德國植物學家Juergens等人認為，在當?shù)夭菰瓧⒌纳车匕紫伨哂懈菔承裕瑫趧偘l(fā)芽的草根上覓食并因此殺死植物，導致形成沒有植被的裸露區(qū)域；又或是白蟻為了不讓蟻窩附近的地下水流失，會吃掉草葉以避免蒸散。這種理論聽起來較為簡單，因此很容易被人們接受。但是此后很多研究人員對“仙女怪圈”進行了廣泛的實地挖掘，大多數(shù)考察結(jié)果都表明在這片區(qū)域內(nèi)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”棲居的動物，都沒有證據(jù)顯示它們對圈中植物的根系造成了損害。

第二種說法認為，“仙女怪圈”的形成與植物的自組織行為有關。這種理論認為，怪圈的形成是植物爭奪納米比亞稀缺水源的結(jié)果。植物通過根系從土壤中提取水分，在競爭過程中導致了圈內(nèi)植物的干旱死亡。這種理論在最新的研究結(jié)果中得到了進一步的證實。在納米布沙漠地區(qū)，由于這片沙漠極度干旱、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(wěn)定的短期反應。“仙女怪圈”的形成與降雨有著密切的聯(lián)系。降雨過后，由于新長出來的草只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，就需要在降雨后的田野調(diào)查中把握好時機。

迷霧漸散：一場植物之間的水資源“爭奪賽”

德國生態(tài)學家Getzin等人為了解開“仙女怪圈”之謎已經(jīng)在納米布沙漠地區(qū)跟蹤考察了多年。在2022年10月他們發(fā)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(fā)草種子萌發(fā)生長的降雨后不同時間間隔評估了“仙女怪圈”內(nèi)草死亡的原因，也評估了白蟻對圈中植物的影響。

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(xiàn)的草在空間和時間上如何影響土壤水分含量。結(jié)果表明，“仙女怪圈”中草的死亡原因并非白蟻活動導致。同時，測量分析結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，植物萎蔫并非由“仙女怪圈”內(nèi)更快的滲透速度造成的。

然而，土壤水分測量記錄卻表明，降雨后“仙女怪圈”外圍的草生長迅速，嚴重消耗了“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”中的草才會在降雨后立即死亡。換句話說，圈中的植物是因為圈外植物爭搶水分而導致缺水死亡的。這一結(jié)果表明，納米比亞的“仙女怪圈”是由生態(tài)水文反饋而引起的自組織植被現(xiàn)象。

在納米布沙漠地區(qū)，形成“仙女怪圈”是由植物的高吸水率和水分的急速水平傳播所引起的，這破壞了均勻植被的穩(wěn)定性，從而導致了所謂的“圖靈模式”。

在這里解釋一下，數(shù)學家艾倫·圖靈在1951年提出了著名的“形態(tài)發(fā)生反應擴散理論”，因此圖靈的模型也被稱為反應擴散機制，該理論成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）如何從均勻的狀態(tài)中自然產(chǎn)生，這種圖案模式被稱為圖靈模式（Turing patterns）?；趫D靈模式理論，科學家們可以用數(shù)學解釋化學和生物系統(tǒng)中形成的穩(wěn)定結(jié)構和規(guī)律的重復斑圖，例如老虎和斑馬魚的條紋、豹子身上的花斑等等。

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內(nèi)的土壤濕度，充當著“生態(tài)系統(tǒng)工程師”的角色。它們通過形成周期性植被間隙模式防止其他草在“仙女怪圈”內(nèi)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(zhì)沙土中，“仙女怪圈”極為規(guī)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匱乏的環(huán)境中生存至關重要，同時也導致了“仙女怪圈”這種奇特的植被間隙模式的出現(xiàn)。

（選自2022年11月23日“科普中國”微信公眾號，本刊有刪改）