這些神秘圓圈，與圖靈的理論有關？

2020-10-30 北京科協

近期，關於仙女圈的研究又有了新的進展。科學家利用無人機和野外氣象站採集數據，發現仙女圈與圖靈斑圖（Turing pattern）有著千絲萬縷的關係。
如果你去到位於非洲南部的納米比亞沙漠，可以看到這樣一幅令人驚嘆的風景：正常生長的草叢中間出現了上千個均勻排列的圓圈，它們大小不等，直徑大多在2-15米。這些圓圈中的草十分稀疏，有的圓圈中甚至寸草不生。


納米比亞的仙女圈。| 圖片來源：Thorsten Becker / Wikimedia Commons
不止在非洲，這些神奇的圓圈還出現在澳大利亞西部的皮爾巴拉和美國的愛達荷州等地，這些地區都有著大片乾旱貧瘠的土地。這一自然奇觀被稱為「仙女圈」，它是自然界最大的謎團之一。
有人認為這些圓圈是「仙女」創造的，也有人說外星人曾在這些地區著陸。納米比亞當地還流傳著這樣一個傳說：在地下深處生活著一條巨龍，它呼吸時的毒氣殺死了地上的植被，形成了這些圓圈。
這些民間傳說的想像力十分豐富，而科學研究則嘗試從科學的角度給出合理的解釋。雖然尚無定論，但研究人員已經提出了很多種不同的假說。
Norbert Juergens是一位對仙女圈十分著迷的生態學家，他曾前往納米比亞多達40次，對仙女圈進行了為期6年的研究。幾乎在每個被採樣的仙女圈中，他都發現了一種名為Psammmotermes allocerus的白蟻。
2013年，Juergens提出，創造仙女圈的「仙女」正是這種白蟻。他解釋說，這些白蟻在土壤中鑽洞時破壞了植物的根部，並會以植物的根為食，這使圓圈內的土壤變得貧瘠，植物不再生長。這樣一來，雨水可以徑直向下滲透，並匯集在地下。於是，生活在圓圈內的白蟻便可以在乾燥的沙漠中獲得充足的水分和食物，在惡劣的環境中生存下來。
2019年，哥廷根大學的Stephan Getzi和同事們對澳大利亞的48個仙女圈進行了研究，他們認為，雖然在仙女圈中發現了白蟻，但白蟻與仙女圈的形成並無關聯，憑藉白蟻無法造成這麼大規模且排列密集的圓圈。他們研究了仙女圈區域的土壤壓實度和黏粒含量，表明仙女圈是由非生物過程形成的，例如旋風中的大雨、極端高溫和蒸發等。
然而，這兩種說法目前都未得到普遍認可，目前對於仙女圈的主流解釋另有其他。
2014年，科羅拉多大學的Michael Cramer和同事Nichole Barger測量了納米比亞仙女圈的大小和排列密度，發現這些數據都與土壤中的水分和養分含量有關。
如果地區的降雨量較小，土壤貧瘠，地面上則會形成大量巨型的仙女圈，這些圓圈可以儲存水分和養分並通過滲透的方式提供給周邊的植被。相反，如果地區的降雨量較大，土地富含養分，則仙女圈會排布稀疏並變小。總結來說，仙女圈是植被進行資源競爭時所引起的一種自發的現象。


資源競爭原理：圓圈中土壤中不生長植被，所以水分及養分含量高，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。| 圖片來源：[4]
近期，關於仙女圈的研究又有了新的進展。Stephan Getzi利用無人機和野外氣象站採集數據，對澳大利亞西部的仙女圈再次展開了一系列研究，發現仙女圈與圖靈斑圖（Turing pattern）有著千絲萬縷的關係。
艾倫·圖靈（Alan Turing）在破譯代碼和人工智慧方面的成就更為人所知，但圖靈其實同樣長期從事生物數學的研究。
上世紀中葉，圖靈提出，如果有兩種特定的物質（分子、細胞等），其中一種可以促進圖案的生成，一種抑制圖案的生成。這兩種物質反應擴散，會自發地組織成斑紋、條紋、環紋、螺旋或是斑點等結構。這些結構被稱為圖靈斑圖，在生物界，它常常被用來解釋斑馬魚和豹身上的條紋。


反應擴散方程，它描述了反應擴散理論中的兩種化學物質是如何進行反應和擴散的。| 參考來源：[7]
一些早期對仙女圈的研究表明，圖靈斑圖可能適用於仙女圈，而Stephan Getzin的研究通過大量無人機拍攝的圖片和氣象站的數據，分析了仙女圈內外草的生長情況、仙女圈的大小與排布疏密程度以及土壤的含水量，對圖靈斑圖的假說進行了驗證。
如果仙女圈圖案符合圖靈斑圖，那麼仙女圈的生成就不是隨機的，而是與植物的生長狀態有關。研究發現，由於仙女圈內無植被的土壤可以儲存水分，其附近的植被汲取了更多的水分，比其他區域的植被生命力更強。這些生命力強的植被非常有規律地呈現出接近六邊形的排列方式，與反應擴散模型的模擬結果相符。
另外，根據圖靈斑圖的形成原理，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。實地觀察結果與這一假設相符，進一步證明了仙女圈可以被圖靈斑圖解釋。
乾旱地區的植被就像生態系統的工程師一樣，它們通過仙女圈的方式重新分配了生態系統中的水資源，調節自身所處的生態環境。因此，即使在非常乾燥惡劣的條件下，生態系統也能正常運轉。如果植被沒有自發地進行調節，這些地區可能就會變成大片土壤裸露的沙漠。
參考來源：
[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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