沙漠上神秘仙女圈如何形成？或與圖靈斑有著千絲萬縷關系！

縱然人類已將觸角伸向了遙遠的太空，但對自己居住的地球仍有眾多無法解釋的謎團。

隨著航空業(yè)和無人機的發(fā)展，觀察地表有了新的視角：人們看到非洲南部納米比亞沙漠，以及澳大利亞西部皮爾巴拉、美國愛達荷州等地，在大片干旱貧瘠的土地上，均勻排列著上千個大小不等的圓圈，直徑大多在2至15米。這些圓圈中荒草稀疏，有的甚至寸草不生。

這些神奇的圓圈被稱為“仙女圈”，它像一道難解的題，幾十年來困擾著幾代生態(tài)學家。它也是自然界最大的謎團之一。最近，一個德國科研團隊的研究表明，仙女圈竟然與計算機之父艾倫·圖靈所創(chuàng)立的理論有關。

生物過程觀點 創(chuàng)造仙女圈的竟然是白蟻

在納米比亞沙漠間，分布著數千個神秘的禿斑圓圈，包圍著圓圈的是高高的草，這樣的景觀往往綿延數千米，從高空俯瞰，奇幻無比。人們對此提出了許多解釋，包括土壤中的物質含量、隕石、不明飛行物甚至原住民死亡后的“鬼魂”。

有人認為這些圓圈是“仙女”創(chuàng)造的，也有人說是外星人曾光臨這些地區(qū)時留下來的“痕跡”。納米比亞當地的傳說認為，地底深處藏著一條巨龍，它呼出的毒氣殺死了地表的植被，形成了這些圓圈。

神秘的仙女圈確實讓人腦洞大開，人們提出各種猜想，但要講清楚其來源，還得靠科學考察和深入的研究。

2013年，德國漢堡大學的生物學家諾伯特·尤爾根斯宣稱自己發(fā)現了仙女圈形成的秘密。

尤爾根斯曾數十次往返納米比亞，花了6年多的時間研究仙女圈。在每個采樣的仙女圈中，他幾乎都發(fā)現了一種鼻白蟻科的沙地白蟻。而且，這些小家伙的巢穴幾乎總是位于仙女圈的中央，那里泥土濕度明顯高于圈外地帶。

尤爾根斯解釋說，這些白蟻在土壤中鉆洞時破壞了植物的根部，并以植物的根為食，才使圓圈內的土壤變得貧瘠，植物不再生長。因此雨水可以徑直向下滲透，匯集到地下，生活在圓圈內的白蟻便可在干燥的沙漠中獲得充足的水分和食物，在惡劣的環(huán)境中生存下來。尤爾根斯因此推斷，是白蟻造就了這些圓圈。

但美國佛羅里達州立大學的生物學家沃爾特·奇爾蓋爾對此持懷疑態(tài)度，他強調說，尤爾根斯混淆了因果關系。

南非開普敦大學的生物學家邁克爾·克雷默也認為“白蟻說”不符合常理。他發(fā)表在《公共圖書館·綜合》期刊上的研究認為，解釋仙女圈現象的理論，需要克服的主要障礙是解釋圓圈的規(guī)則分布、大小以及它們?yōu)楹问黔h(huán)狀。克雷默表示，白蟻為什么會導致如此大且均勻分布的圓圈的產生，尤爾根斯的理論并沒有解釋出真正的原因。

非生物過程觀點 與土壤水分養(yǎng)分及極端天氣有關

奇爾蓋爾曾研究指出，小型仙女圈平均只維持24年，而較大的仙女圈能夠存在75年。然而，他的研究并沒有確定仙女圈最初是如何形成的，以及它們?yōu)楹蜗А?/p>

但克雷默的團隊發(fā)現，是降雨多少決定了納米比亞沙漠里仙女圈的分布，仙女圈似乎只存在于降雨量穩(wěn)定而稀少的地區(qū)。如果降雨太多，大量植物將緩和對資源的競爭，這些仙女圈將關閉;如果降雨太少，競爭將變得異常激烈，仙女圈也將再次消失。由于仙女圈出現在這樣狹窄的濕度范圍內，每年降雨量的差別，將導致它們忽然消失，或忽然再次出現。基于這個邏輯，研究人員發(fā)現他們能夠預測仙女圈的分布，精確度高達95%。此外，仙女圈之間規(guī)則間隔，可能是每一個圈周邊的草與其他圈之間為資源而競爭的結果。

當然，克雷默也不否認仙女圈與白蟻存在關聯(lián)。他認為，產生仙女圈是植物之間的競爭。白蟻則是第二現象，它的作用是仙女圈的維修工，能夠殺死在圈中央出現的草。

2014年，來自美國科羅拉多大學的邁克爾·克拉默和同事尼科爾·巴格測量了納米比亞仙女圈的大小和排列密度，也發(fā)現這些數據都與土壤中的水分和養(yǎng)分含量有關。

與克雷默團隊觀點相似，他們認為如果當地降雨量小、土壤貧瘠，地面上會形成許多巨型的仙女圈，這些沙土圈可以儲存水分、養(yǎng)分，并通過滲透供給周邊的植被;相反，如果當地降雨量變大，土地富含養(yǎng)分，則仙女圈會排布稀疏并變小。

總的來說，這些研究團隊都發(fā)現，仙女圈是植被在“搶奪”資源時所引起的一種自發(fā)現象。其資源競爭原理是：圓圈內土壤中不生長植被，所以水分及養(yǎng)分含量高，充當著“水庫”的角色，可以向圓圈邊沿和圓圈外的植被滲透水和營養(yǎng)。

圖靈斑觀點 植被仙女圈模式可改變不利環(huán)境

多年來，來自德國哥廷根大學生態(tài)系統(tǒng)建模系的生態(tài)學家斯蒂芬·格津，也在關注這些神秘的仙女圈。2019年，格津團隊用無人機和野外氣象站采集數據，對澳大利亞西部的仙女圈再次展開了一系列研究。最近，他們發(fā)表論文稱，仙女圈竟然和通常用于解釋自然界中重復模式的圖靈斑有著千絲萬縷的關系。

格津團隊在草地生態(tài)系統(tǒng)中，分析了仙女圈內外草的生長情況、大小與排布疏密程度以及土壤含水量。基于無人機的多光譜分析和空間顯式統(tǒng)計數據，他們測試了5個面積1公頃的樣板地，看草的活力是否取決于仙女圈模式。他們還檢查了高活力草叢和低活力草叢的關系，并在1平方米的小尺度上，評估了火災后草木在不同演替階段的情況。

結果發(fā)現，與低活力草相比，高活力草與仙女圈的系統(tǒng)相關性更高。“在自然科學中，將經驗生態(tài)學和物理學聯(lián)系起來，是最具挑戰(zhàn)性但也是最有趣的努力之一。這些草通過形成對稱間隔的縫隙模式，積極地改造自己的環(huán)境。”格津說，植被得益于仙女圈提供的額外水分，即使在非常惡劣、干旱的條件下，也能保持生態(tài)系統(tǒng)的功能。如果沒有草類的自我組織，這個地區(qū)很可能變成沙漠。

根據圖靈斑的形成原理，生命力較強的植被應當聚集在一起，而生命力較弱的植被則會隨機散布。他們關于生態(tài)學的發(fā)現，證明了仙女圈可以被圖靈斑圖解釋。在發(fā)表于《生態(tài)學雜志》的論文中，他們寫道：正如理論模型所預測的，仙女圈是干旱地區(qū)植被的重要額外水源，草是“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，可改變其不利的非生物環(huán)境，從而導致植被“自組織”。

延伸閱讀

圖靈模型可解釋動物身上各種斑紋

計算機之父艾倫·圖靈在普林斯頓大學時，提出了“通用計算機”的概念，鮮為人知的是，圖靈生命的最后幾年，其精力大多投入在數理生物學上，特別是對生物的圖案有過許多重要研究。

圖靈在觀察魚的胚胎發(fā)育時，發(fā)現胚胎初期階段所有細胞形態(tài)完全相同。但接下來，胚胎中不同部位的細胞開始各自聚攏，并朝不同形態(tài)發(fā)展。圖靈想知道是什么機制讓原本對稱的球狀胚胎發(fā)育成不對稱的胚胎，是什么打破了這種對稱性。1952年，圖靈發(fā)表了人類科學史上第一篇用數學模型解釋胚胎形成不對稱紋樣的論文，用二階拋物方程，模擬了生物體內發(fā)生的這種“自組織”現象。

圖靈假設溶液中有兩種分子，分別稱作“激活劑”和“抑制劑”，通過不斷重復“激活—抑制”過程，就能形成重復的斑紋結構，這種結構被稱為圖靈斑。這套機制被命名為“反應—擴散機制”，也叫圖靈模型。

20世紀80年代，美國生物學家詹姆斯·穆瑞發(fā)現，用圖靈模型可以解釋自然界動物身上的各種斑紋，如斑馬、長頸鹿、海螺等。哺乳動物通過作用于生成黑色素的基因通路，可產生從棕色到黑色的各種顏色。2012年，牛津大學科學家菲利普·邁尼等人發(fā)現兩組“激活劑—抑制劑”同時進行反應，能夠生成豹皮上的半封閉圓環(huán)圖案。這正是圖靈模型的奇妙之處。