Of het nu de Mima-heuvels van de staat Washington zijn of de beroemde "feeënkringen" van Namibië in het zuidwesten van Afrika, mensen zijn gefascineerd door de regelmatige patronen van plantengroei die woestijn- en graslandlandschappen bedekken, vaak met een betoverende consistentie.

Wetenschappers hebben lang gedebatteerd over hoe deze verschijnselen ontstaan ​​en voortduren. Nutsvoorzieningen, een nieuwe theorie suggereert dat in plaats van een enkele overkoepelende oorzaak, grootschalige vegetatiepatronen in droge ecosystemen kunnen af ​​en toe voortkomen uit miljoenen lokale interacties tussen naburige planten en dieren, volgens een door Princeton University geleide studie die op 19 januari in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur .

Zoals Russische nestpoppen, kleinschalige patronen gevormd door planten als reactie op waterschaarste liggen binnen een grotere polka-dot-formatie die wordt gecreëerd door de nesten van sociale insecten zoals termieten en mieren. De nesten verschijnen op hun beurt als cirkelvormige vegetatieclusters of als gaten in kale grond, afhankelijk van hoe de insecten de plantengroei beïnvloeden.

Satellietbeelden van vier continenten toonden aan dat insectennesten vaak opmerkelijk gelijkmatig verdeeld zijn, waarbij elk nest gemiddeld zes buren heeft. De onderzoekers gebruikten wiskundige modellen en computersimulaties om aan te tonen dat territoriale agressie tussen aangrenzende kolonies deze regeling kan produceren, wat leidt tot een grootschalige zeshoekige, of honingraat, verspreiding van de nesten. Individuele kolonies verspreiden zich naar buiten totdat ze hun buren ontmoeten en met hen vechten, af en toe het doden van kleinere kolonies. Overuren, dit leidt tot een mozaïek van zeszijdige territoria. Elk van de zes zijden vertegenwoordigt de frontlinie tussen een kolonie en zijn vijanden naast de deur.

Hoofdauteur Corina Tarnita, een assistent-professor ecologie en evolutionaire biologie aan Princeton, legde uit dat het patroon ontstaat wanneer termietenkolonies ongeveer even groot zijn en het landschap homogeen is.

"Veel sociale insecten hebben de neiging om territoriaal te zijn en kolonies vechten vaak tot de dood, ' zei Tarnita. 'Als er een beginnende heuvel verschijnt in een bestaand gebied, de gevestigde termieten vinden het uiteindelijk en vernietigen het. Overuren, grote kolonies vernietigen de kleinere. Maar grote koloniën blijven naast elkaar bestaan ​​in een eeuwige grensoorlog zonder dat ze terrein winnen."

De honingraatformaties zorgen voor een optimale verdeling van de ruimte tussen de verschillende kolonies, zei Tarnita. "Uiteindelijk krijg je kolonies van zeer vergelijkbare grootte die zo ver mogelijk van elkaar verwijderd zijn, terwijl je tegelijkertijd geen enkele ruimte onbezet laat."

Tarnita legde uit dat veel patronen over de hele wereld - van visgebieden tot de ruimtelijke ordening van vogelnesten - waarschijnlijk het gevolg zijn van territoriale agressie. "Vaak zijn deze patronen moeilijk te zien. Wat sociale insecten en andere gravende dieren uniek maakt, is dat hun nesten een zichtbare aanwijzing vormen van waar hun territorium is, ' zei Tarnita.

"Een van onze doelen in dit werk was om te begrijpen hoe vegetatiepatronen kunnen ontstaan ​​door territoriale concurrentie om hulpbronnen tussen sociale insectenkolonies, maar het model zou zeer breed kunnen worden toegepast om ruimtelijke patronen in andere territoriale dieren te karakteriseren, " ze zei.

'Feeëncirkels' en een ander deel van het patroonverhaal

Grootschalige vegetatiepatronen, echter, zijn niet altijd het hele verhaal. In de ruimtes tussen insectennesten overheerst een ander biologisch proces. Daar, planten organiseren zichzelf volgens een principe dat bekend staat als 'schaalafhankelijke feedback'.

De onderzoekers testten dit raamwerk op Namibische feeëncirkels - ronde stukken woestijnzand, 2 tot 35 meter (6,5 tot 114 voet) in diameter, omgeven door ringen van hoog gras. Genoemd naar het volksgeloof in hun bovennatuurlijke oorsprong, feeënkringen zijn de onwaarschijnlijke focus van wetenschappelijke controverse geworden nadat onderzoek uit 2013 suggereerde dat termieten de kale plekken creëren door planten aan te vallen. Die krant ontketende een reeks publicaties die weerlegden dat de cirkels in plaats daarvan voortkwamen uit de zelforganisatie van de planten.

De Natuur studie toont aan dat deze twee mechanismen elkaar niet uitsluiten, en dat beide mogelijk actief zijn in de woestijnen van Namibië. De onderzoekers pasten hun modellen aan om het effect op te nemen van termieten die planten verwijderen om de kale schijven te creëren. Deze actie verhoogt het vochtgehalte van de grond binnen de cirkels, waardoor omringende planten kunnen gedijen en de karakteristieke hoge grasringen produceren. In de tussentijd, de landschapsbrede zeshoekige lay-out van cirkels en grasringen komt voort uit de afstotende kracht van territoriale oorlogvoering tussen naburige termietenkolonies.

In barre omgevingsomstandigheden, planten profiteren vaak van hun directe buren door een beetje schaduw te bieden en het bodemvocht in de wortelzone te concentreren, wat leidt tot de vorming van kleine bosjes vegetatie. Wanneer deze klonten te groot worden, concurrentie om water opweegt tegen de voordelen van burenvereniging, wat leidt tot stukken kale grond naast elk plantencluster. Het nettoresultaat van dit proces is een patroon van gelijkmatig verdeelde plantengroei in een matrix van kale grond. Het is een spiegelbeeld van het insectennestpatroon, maar op de schaal van centimeters in plaats van meters en voortkomend uit een ander biologisch mechanisme.

De onderzoekers laten zien dat de combinatie van deze twee verschillende processen - insectencompetitie en plantschaalafhankelijke feedback - een meer realistische beschrijving van woestijnvegetatie genereert dan elk proces afzonderlijk kan bereiken.

Eerdere studies van de feeëncirkels, bijvoorbeeld, had niet gerapporteerd over de vegetatie tussen de cirkels. Echter, de nieuwe gegevens van de onderzoekers uit Namibië laten zien, zoals hun theoretische modellen voorspelden, dat daar kleine, regelmatig uit elkaar geplaatste clusters van planten voorkomen.

De mechanica van de natuur

Co-auteur Robert Pringle, een Princeton-assistent-professor ecologie en evolutionaire biologie, zei dat de studie probeert de basismechanica van natuurlijke interacties bloot te leggen om wetenschappers te helpen begrijpen "hoe de natuur werkt en hoe het zichzelf in elkaar zet". Dergelijke mechanistische kennis is belangrijk voor pogingen om natuurlijke systemen te herstellen die zijn beschadigd door klimaatverandering en vernietiging van habitats, hij zei. Pringle en Tarnita onderzochten de wereldwijde prevalentie van dergelijke ruimtelijke zelforganisatie in een ander artikel gepubliceerd in de Jaaroverzicht van entomologie in januari.

"De modellen in ons artikel zijn gebaseerd op fundamentele interacties die plaatsvinden tussen naburige organismen, en die zijn overal "Zei Pringle. "Dit soort regelmatige patronen is wijdverbreid, en hoewel het niet altijd gemakkelijk te zien is, het maakt een enorm verschil in hoe ecosystemen functioneren en hoe ze reageren op veranderingen in het milieu.

"Ons doel tijdens dit werk was om bij te dragen aan een coherent begrip van reguliere patronen als een reeks verschijnselen die op veel verschillende niveaus in allerlei systemen opduiken, zowel biologisch als niet-levend, "Zei Pringle. "Feeëncirkels zijn een prachtig voorbeeld van de bredere categorie patronen waarin we geïnteresseerd zijn."

Max Rietkerk, hoogleraar milieuwetenschappen aan de Universiteit Utrecht in Nederland, zei dat de theorie van ruimtelijke patronen van de auteurs uniek is voor het combineren van gedrags- en ecologische factoren.

"Naar mij, wat nieuw is, is de alternatieve verklaring van de feeënringen die wordt gedemonstreerd door het termietenmodel, plus de gecombineerde verklaring van de multischaalpatronen door een gekoppeld termieten-vegetatiemodel, " zei hij. "Dit is niet alleen belangrijk voor het begrijpen van de patronen van de Namib-woestijn, maar mogelijk ook andere systemen en velden vanwege de combinatie van sociaal-gedragsmatige en fysiek-ecologische aspecten."

theoretische harmonie

De Natuur paper verenigt bestaande theorieën over natuurlijke patroonvorming die eerder als concurrerend dan als complementair werden beschouwd, zei mede-hoofdauteur Juan Bonachela, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in Princeton, nu een assistent-professor ecologie en evolutie aan de Universiteit van Strathclyde in Schotland.

"Er zijn al lang twee leidende theorieën over hoe deze regelmatige patronen, en vooral feeënkringen, worden gevormd, en die theorieën zijn traditioneel gepresenteerd als elkaar uitsluitend, ' zei Bonachela.

"Onze bevindingen harmoniseren beide theorieën en dragen bij aan de reeks mogelijke verklaringen voor reguliere vegetatiepatronen die over de hele wereld worden waargenomen, " zei hij. Bonachela merkte ook op dat het nieuwe werk inzicht geeft in hoe omgevingen reageren op verstoringen. "Dit gedrag beïnvloedt het hele ecosysteem, waardoor het zwaardere omstandigheden kan overleven en veel sneller kan herstellen van droogtes dan wanneer er geen termieten zouden zijn."

Hetzelfde team van onderzoekers rapporteerde in het tijdschrift Wetenschap in 2015 dat termietenheuvels woestijnvorming in dorre savannes en graslanden kunnen voorkomen. De terpen slaan vocht en voedingsstoffen op, en de ingewikkelde tunnels van de termieten zorgen ervoor dat water beter door de grond kan dringen.

Salvatore Torquato, een Princeton hoogleraar scheikunde en het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials, zei dat de vegetatieve patronen die de onderzoekers onderzochten een "exotische" complexiteit lijken te hebben die bekend staat als "hyperuniformiteit" die in tal van systemen wordt aangetroffen. Voor het eerst geïdentificeerd in een document uit 2003 door Torquato en collega's, hyperuniformiteit verwijst naar een grootschalige structuur die voortkomt uit de lange-afstandsinteracties van zijn elementen.

"Opmerkelijk, de vegetatiepatronen doen denken aan enkele exotische structuren die ontstaan ​​in atomaire systemen, vastgelopen korrelige media, en de fotoreceptorcellen in het netvlies, " zei Torquato, die wel bekend is met het onderzoek maar er geen rol in had.” In dit geval de langetermijninteracties lijken voort te komen uit de concurrentie en andere interacties tussen verschillende entiteiten - dieren, planten, enz. - in het ecosysteem.

"Ik denk dat dit werk zeer inzichtelijk en grensverleggend is, en het opent de deur naar een beter begrip van de manier waarop meerdere mechanismen op verschillende schaalniveaus op elkaar inwerken om complexe ecosysteemstructuren te produceren, "Vervolgde Torquato. "Dit artikel presenteert veel opwindende en fascinerende mogelijkheden voor toekomstig onderzoek."