"Wonderful Circles" in der Namib Wüste können modelliert werden • Elena Naimark • Science News zu den "Elementen" • Ökologie

Wunderbare Kreise in der Namib Wüste können modelliert werden

Abb. 1. So sehen mysteriöse Kreise in der Namib Wüste oben aus: Unter dem Gras mit einer gewissen Regelmäßigkeit gibt es kahle Stellen von nacktem Grund (2-12 m im Durchmesser), umgeben von schmalen "Halsbändern" aus dickerem Gras. Fotos von smithsonianmag.com

Wissenschaftler haben ein umfassendes Modell für die Bildung der sogenannten "wunderbaren Kreise" in Namibia vorgeschlagen – ein regelmäßiges Muster von kahlen Stellen in der Vegetationsdecke der Wüste. Dieses Modell berücksichtigt die Konkurrenz der Pflanzen um Feuchtigkeit, die in trockenen Klimazonen eine führende Rolle spielt, sowie die Aktivität von Termiten, die die gesamte Vegetation über ihren Nestern zerstören. Termiten-Nester können sich, wie sich während des Studiums des Modells herausstellte, mit einer bekannten räumlichen Regelmäßigkeit bilden, und daher erhält die Vegetationsdecke über den Nestern auch eine richtig organisierte Form. Das Hinzufügen von Wettbewerbsbeziehungen zwischen Pflanzen verleiht dem Modell noch mehr Realismus, was die Bildung neuer Kreise und das Überwachsen alter, die Abwesenheit von kahlen Stellen in einem feuchten Klima sowie die sekundäre Ungleichmäßigkeit der Verteilung von Grasbedeckung zwischen den Kreisen erklärt.In dieser Studie wird die Suche nach den Gründen für die Bildung solcher Kreise in eine neue Richtung gelenkt, was auf die Notwendigkeit hinweist, die noch nicht berücksichtigten Parameter zu untersuchen.

Die "wunderbaren Kreise" (siehe Feenkreis) in der Namibwüste (Abb. 1) gelten als eines der Mysterien unserer Zeit. Warum erscheinen kahle Stellen in der gleichmäßigen Vegetationsdecke? Und es wäre gut, wenn diese kahlen Stellen an einem Ort erscheinen würden, aber nein – sie erstrecken sich über zweitausend Kilometer quer durch ganz Namibia von Südafrika bis Angola. Folglich ist dies kein exotisches Phänomen, das durch einen zufälligen Zusammenfluss einzigartiger Umstände erzeugt wird, sondern eine Manifestation von Kräften, die auf dem gesamten Tausend-Kilometer-Gebiet obligatorisch sind.

Man kann nicht sagen, dass das Geheimnis der namibischen "wunderbaren Kreise" nicht versucht wurde, zu entwirren. Im Gegenteil, diese Kreise zogen eine Menge wissenschaftlicher Anstrengungen nach sich. Studien über ihre räumliche Verteilung, Artenvielfalt, Messung der Zusammensetzung des Bodens, seiner Feuchtigkeit und anderer Parameter haben zwei alternative Hypothesen gebildet. Beide Hypothesen basieren auf Beweisarrays und werden daher als gleich angesehen.

Das erste ist, dass die Flecken Termiten entsprechen, die die Wurzeln von Pflanzen und toter Biomasse auffressen.So entsteht dort, wo sich eine Termitenkolonie befindet, eine kahle Stelle, die nach dem Tod der Kolonie einige Zeit erhalten bleiben kann.

Die zweite Hypothese besagt, dass sich das Vegetationsmuster durch die Konkurrenz einzelner Pflanzen gegen Feuchtigkeit bildet. Um die Stelle des aktiven Wachstums des Grases wird die Feuchtigkeit weniger, es hört auf, auf dieser Seite zu wachsen. Aber auf dem Gelände selbst schafft zusätzliche Verschattung günstige Bedingungen für sein Wachstum. Es gibt ein optimales Verhältnis von bewohnten und unbewohnten Parzellen, das konstante Wirken von Wettbewerbs- und Kooperationskräften schafft ein regelmäßiges Muster in der Vegetationsdecke.

Die Anhänger der ersten Hypothese stützen sich auf die koordinierte Anordnung von Flecken und Nestern von Termiten und Ameisen, Studien über die Ernährung von Termiten (sie essen sofort Sprossen in Kreisen), Messungen der Bodenfeuchte (sie ist im Kreis höher als in äußeren Kreisen). Eine höhere Luftfeuchtigkeit in den Kreisen begünstigt die Existenz von Termiten und wird gerade durch die Abwesenheit von Pflanzen bestimmt.

Gegner – und dementsprechend Anhänger der zweiten Theorie – wenden ein, dass Termiten kein regelmäßiges Muster erzeugen können. Es wird unvermeidlich zufällig sein, ebenso wie die Verteilung von Thermitnestern.Aber – und das ist ein starkes Argument – ähnliche Kreise sind in der australischen Wüste bekannt, aber es gibt keine Termiten in ihnen und die Nester von Termiten sind anders verteilt als Kreise (Abb. 2). Den Anhängern dieser Hypothese zufolge kann ein regelmäßiges Muster in der Vegetationsdecke nur durch globale Umweltwechselwirkungen von Wettbewerb und gegenseitiger Unterstützung bestimmt werden, ähnlich immer und überall.

Abb. 2 "Wonderful circles" (kahle Stellen aus rotem Backstein) in Australien, in der Trockenregion von Pilbara (siehe Pilbara), auf einer Fläche von etwa anderthalb tausend Quadratmetern. km; die Verbreitung von Termiten und Ameisen in diesem Gebiet stimmt nicht mit der Verteilung der Vegetation überein. Aus dem Artikel: S. Getzin et al, 2016. Die Entdeckung der Feenkreise in Australien unterstützt die Selbstorganisationstheorie

Experten der Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie der Universität Princeton (USA) versuchten die beiden Hypothesen gemeinsam mit Kollegen vom Mpala Research Center (Kenia), der University of Idaho (USA), der Hebrew University of Jerusalem (Israel) und der Strathclyde University in Glasgow (UK) zu lösen. Sie machten ein Modell, in dem sie beide Faktoren berücksichtigten – die "subversive" Aktivität der Termiten und die Konkurrenz der Pflanzen um wertvolle Feuchtigkeit.

Zunächst überprüften sie das Modell, ob sich in der Vegetationsdecke durch das "Strippen" der Termiten ein regelmäßiges Muster bilden könnte. Dazu mussten die folgenden einfachen, aber durchaus realistischen Bedingungen akzeptiert werden. Termitenkolonien haben eine gewisse Futterfläche, und je größer das Nest, desto größer ist dieses Gebiet. Termitenkolonien konkurrieren um Territorium, wenn die Dichte der Kolonien groß wird. Junge Kolonien werden auf freien Territorien gebaut, können aber von einer großen Kolonie in der Nachbarschaft zerstört werden. Und schließlich ist das Leben der Kolonie begrenzt, dh selbst eine große Kolonie hört nach einer gewissen Zeit auf zu existieren.

Alle diese biologischen Eigenschaften haben quantitative Ausdrücke, die zu Parametern dieses Modells geworden sind. Die Parameter wurden basierend auf der Verteilung verschiedener Populationen von Ameisen und Termiten auf verschiedenen Kontinenten berechnet. Die Implementierung eines Modells mit Parametern für verschiedene Populationen hat gezeigt, dass die Bildung von Regelmäßigkeiten in der Lage der Nester von sozialen Insekten sehr wahrscheinlich ist. So wird eines der Argumente der Gegner der "Thermit" -Theorie beseitigt: Die Nester der sozialen Insekten werden im Raum geordnet verteilt, und infolgedessenIhre Futterbereiche – die "wunderbaren Kreise" – erhalten ebenfalls eine gewisse Ordnung.

Wenn wir an diesem Modell mehrere Regeln für das Pflanzenleben anwenden, wird das resultierende Modellbild der Realität noch näher kommen. Diese Regeln, dh das Modell der Selbstorganisation der Pflanzenbedeckung unter lokalen Bedingungen, die von der Feuchtigkeit abhängen, legen erstens den Wettbewerb um Feuchtigkeit und intensives Graswachstum an feuchten Orten nahe, zweitens die Bildung von leerem Raum um sich herum aufgrund der lokalen Erschöpfung von Feuchtigkeit. Drittens wird das Pflanzenwachstum durch gegenseitige Verschattung beschleunigt, wenn es in der Nähe von Nachbarn wächst. Es berücksichtigt auch die Veränderung der Wachstumsrate bei einer allgemeinen Veränderung der Luftfeuchtigkeit – zum Beispiel wenn die Regenzeit kommt. Für dieses Modell wurden die entsprechenden Parameter für verschiedene Klimazonen ebenfalls berechnet.

Das kombinierte Modell ergab sehr plausible Details, die nicht in beiden Modellen separat erfasst wurden (Abb. 3). Eines dieser Merkmale des kombinierten Modells ist die Bildung eines dichten Grasrandes von "wunderbaren Kreisen". Pflanzen fressen über das Nest, Termiten entfernen nicht nur Feuchtigkeit von den Verbrauchern, sondern lockern auch den Boden. Infolgedessen sammelt sich Feuchtigkeit im Kreis an, und um diesen feuchten Fleck können mehr Pflanzen wachsen.Ihre Wurzeln sind auf das Zentrum des Spots gerichtet.

Abb. 3 Charakteristische vegetative Abdeckung zwischen "wunderbaren Kreisen" (ein Beispiel für namibische Kreise): a ist eine allgemeine Ansicht; b – der Raum zwischen den Kreisen mit sekundären Unregelmäßigkeiten der Beschichtung; c – Nachahmung der gleichen Beschichtung im Modell, das Gras ist grün gegen die braune Erde; die Skala ist in b und c gleich; d – Analyse (Fourier) der Bereiche der sekundären Grasflecken im Modell und realen Daten. Es ist ersichtlich, dass die Art des Graswachstums zwischen den Flecken sehr ähnlich ist, daher wird es durch das vorgeschlagene Modell zufriedenstellend erklärt. Abb. aus dem Artikel in Frage Natur

Ein weiteres Ergebnis des kombinierten Modells ist das schnelle Überwachsen von Kreisen mit zunehmendem Niederschlag. Wenn die Menge an Niederschlag zunimmt, wird die Wachstumsrate des Grases höher als die Rate seiner Verwendung durch Insekten. Dies erklärt den Mangel an kahlen Stellen in einem feuchteren Klima; im Gegenteil, wie vom Modell vorhergesagt, gibt es dichter überwachsene Vegetationsflächen über den Nestern.

Abb. 4 Huvelthzhi (übersetzt bedeutet "kleine Hügel") im Nationalpark Tygerberg (Tygerberg Nature Reserve) in Südafrika. Foto von cameratrap.mywild.co.za

Und außerdem erschienen sekundäre, eher kleinräumige Muster in der Modellimitation der Vegetationsdecke.In der Tat wächst das Gras in den Zwischenräumen zwischen den Flecken ungleichmäßig und bildet dichte, von seltenen Grasflächen durchsetzte Haufen. Überraschenderweise, aber das kombinierte Modell zeigte diese dicken und armen Bereiche. Ihre Fläche und Verteilung stimmt gut mit dem realen Bild überein.

Abb. 5 Die ungewöhnliche Verteilung der Vegetation (dieser Typ wird als "große Landhaufen" bezeichnet) im Emas-Nationalpark in Brasilien. Foto © Edu Jung von panoramio.com

Aber die Wissenschaft wäre keine Wissenschaft, wenn die vorgeschlagene Lösung keine neuen Probleme und neue Streitigkeiten hervorruft. Eine davon ist, ob das Modell auf alle ähnlichen Phänomene anwendbar ist, und neben den namibischen und australischen "wunderbaren Kreisen" gibt es auch Huveltjies (Abb. 4) (Heuweltjie) in der Westkap – Provinz Südafrikas, "campos de murundus" in Brasilien (Abb. 5) ) (siehe AT de Oliveira-Filho, 1992. Die Murge der Insel-Wirkung auf die Pflanzengemeinschaft), Mima Hügel in Nordamerika.

Abb. 6 Mima Mounds in den Prärien des Staates Washington (USA). Fotos von darkroastedblend.com

So wird in den australischen "wunderbaren Kreisen" (siehe Abb. 2) die Feuchtigkeit im Boden überhaupt nicht wie in namibischen Kreisen verteilt. Dort, außerhalb der Kreise, ist der Boden feuchter als in den Kreisen, und der Kreis oben ist mit einem feuchtigkeitsfesten, gehärteten Tonkuchen bedeckt.Feuchtigkeit dringt von dieser Kruste zu den Kanten und erzeugt einen Überschuss an Feuchtigkeit am Umfang. Daher wächst der Grasrand des "wunderbaren Kreises" entlang des Umfangs der kahlen Stellen. Diese Erklärung ist nicht weniger logisch als das komplexe thermit-ökologische Modell. Wenn man die australischen und namibischen Kreise vergleicht, müssen sich die Wissenschaftler nun fragen, woher der Kreis kommt und warum sich ein Schlammkuchen über ihnen bildet. Und dazu benötigen Sie einen anderen Datensatz. So die Veröffentlichung in Natur Das Geheimnis wundervoller Kreise wurde nicht aufgegeben, sondern der Suche eine neue Richtung gegeben.

Quelle: Corina Tarnita, Juan Bonachela, Efrat Sheffer, Jennifer A. Guyton, Tyler C. Coverdale, Ryan A. Long und Robert M. Pringle. Eine theoretische Grundlage für multiskalige regelmäßige Vegetationsmuster // Natur. 2017. V. 541. S. 398-401.

Elena Naimark


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