Det kan vara Mima -högarna i delstaten Washington eller de berömda "älvcirklarna" i Namibia i sydvästra Afrika, människor fängslas av de vanliga växttillväxtmönstren som täcker öken- och gräsmarklandskap, ofta med fascinerande konsistens.

Forskare har länge diskuterat hur dessa fenomen uppstår och kvarstår. Nu, en ny teori antyder att istället för en enda övergripande orsak, storskaliga växtmönster i torra ekosystem kan ibland bero på miljontals lokala interaktioner mellan angränsande växter och djur, enligt en Princeton University-ledd studie publicerad 19 januari i tidskriften Natur .

Som ryska häckande dockor, småskaliga mönster som bildas av växter som svar på vattenbrist ligger inom en större prickformation som skapas av boet av sociala insekter som termiter och myror. Boet visas i sin tur som cirkulära kluster av vegetation eller som luckor i bar jord, beroende på hur insekterna påverkar växternas tillväxt.

Satellitbilder från fyra kontinenter visade att insektsbo ofta är anmärkningsvärt jämnt fördelade, med varje bo i genomsnitt sex grannar. Forskarna använde matematiska modeller och datasimuleringar för att visa att territoriell aggression mellan angränsande kolonier kan ge detta arrangemang, vilket leder till en storskalig sexkantig, eller honungskaka, fördelning av bon. Enskilda kolonier sprider sig utåt tills de möter och kämpar med sina grannar, ibland döda mindre kolonier. Över tid, detta leder till en mosaik av sexsidiga territorier. Var och en av de sex sidorna representerar frontlinjen mellan en koloni och dess fiender intill.

Huvudförfattare Corina Tarnita, en biträdande professor i ekologi och evolutionär biologi vid Princeton, förklarade att mönstret uppstår när termitkolonierna är ungefär lika stora och landskapet är homogent.

"Många sociala insekter tenderar att vara territoriella och kolonier slåss ofta till döds, "Sa Tarnita." När någon begynnande hög visas i ett befintligt territorium, de etablerade termiterna hittar så småningom den och förstör den. Över tid, stora kolonier utplånar de mindre. Men stora kolonier hamnar samtidigt i ett evigt gränskrig utan att vinna någon mark. "

Honungskakaformationerna ger optimal fördelning av rymden mellan de olika kolonierna, Sa Tarnita. "Så småningom hamnar du med kolonier av mycket lika storlekar som är så långt från varandra som möjligt, samtidigt som det inte lämnar något utrymme ledigt. "

Tarnita förklarade att många mönster över hela världen - från fiskområden till det rumsliga arrangemanget av fågelbo - sannolikt beror på territoriell aggression. "Ofta är dessa mönster svåra att se. Det som gör sociala insekter och andra grävande djur unika är att deras bon skapar en synlig ledtråd om var deras territorier är, "Sa Tarnita.

"Ett av våra mål i detta arbete var att förstå hur vegetationsmönster kan bildas från territoriell konkurrens om resurser mellan sociala insekts kolonier, men modellen kan tillämpas mycket brett för att karakterisera rumsliga mönster i andra territoriella djur, " Hon sa.

'Fairy cirklar' och en annan del av mönsterberättelsen

Storskaliga växtmönster, dock, är inte alltid hela historien. En annan biologisk process dominerar i utrymmena mellan insektsbon. Där, växter organiserar sig enligt en princip som kallas "skalberoende feedback".

Forskarna testade detta ramverk på namibiska fe -cirklar - runda fläckar av öken sand, 2 till 35 meter (6,5 till 114 fot) i diameter, omgiven av ringar av högt gräs. Uppkallad efter folkets tro på deras övernaturliga ursprung, älvcirklar har blivit det osannolika fokuset för vetenskaplig kontrovers efter 2013 -forskning tyder på att termiter skapar de nakna fläckarna genom att attackera växter. Det papperet släppte loss en rad publikationer som motverkade att cirklarna istället uppstod från växternas självorganisation.

De Natur studie visar att dessa två mekanismer inte utesluter varandra, och att båda kan vara verksamma i Namibias öknar. Forskarna anpassade sina modeller för att inkludera effekten av termiter som tar bort växter för att skapa de bara skivorna. Denna åtgärd ökar jordens fuktinnehåll i cirklarna, gör det möjligt för omgivande växter att trivas och producera de karakteristiska höga gräsringarna. Under tiden, den landskapsomfattande sexkantiga utformningen av cirklar och gräsringar kommer från den motbjudande kraften i territoriell krigföring mellan angränsande termitkolonier.

Under hårda miljöförhållanden, växter gynnar ofta sina närmaste grannar genom att ge en liten nyans och koncentrera markfuktigheten i rotzonen, som leder till bildandet av små klumpar av vegetation. När dessa klumpar blir för stora, konkurrens om vatten uppväger fördelarna med grannförening, vilket leder till fläckar av bar mark i anslutning till varje växtkluster. Nettoresultatet av denna process är ett mönster av jämnt fördelade fläckar av växttillväxt i en matris av bar jord. Det är en spegelbild av insektsbo-mönstret, men i skala av centimeter istället för meter och härrör från en annan biologisk mekanism.

Forskarna visar att kombinationen av dessa två distinkta processer-insektkonkurrens och växtskalberoende återkopplingar-genererar en mer realistisk beskrivning av ökenvegetation än vad endera processen kan uppnå självständigt.

Tidigare studier av sagokretsarna, till exempel, hade inte rapporterat om växtligheten mellan cirklarna. Dock, forskarnas nya data från Namibia visar, som deras teoretiska modeller förutspådde, att små växter med jämna mellanrum förekommer där.

Naturens mekanik

Medförfattare Robert Pringle, Princetons biträdande professor i ekologi och evolutionär biologi, sade att studien försöker avslöja den grundläggande mekaniken i naturliga interaktioner för att hjälpa forskare att förstå "hur naturen fungerar och hur den sätter sig samman." Sådan mekanisk kunskap är viktig för försök att rehabilitera naturliga system som skadats av klimatförändringar och förstörelse av livsmiljöer, han sa. Pringle och Tarnita undersökte den globala förekomsten av sådan rumslig självorganisation i en annan artikel publicerad i Årlig granskning av entomologi i januari.

"Modellerna i vårt papper är baserade på grundläggande interaktioner som uppstår mellan närliggande organismer, och de finns allestädes närvarande, "Sa Pringle." Denna typ av regelbundna mönster är utbredd, och även om det inte alltid är lätt att se, det gör en enorm skillnad i hur ekosystem fungerar och hur de reagerar på miljöförändringar.

"Vårt mål under hela detta arbete har varit att bidra till en sammanhängande förståelse av regelbundna mönster som en uppsättning fenomen som dyker upp på många olika nivåer i alla typer av system, både biologiska och icke-levande, "Sa Pringle." Fairy cirklar exemplifierar vackert den bredare kategorin av mönster som vi är intresserade av. "

Max Rietkerk, professor i miljövetenskap vid Utrecht University i Nederländerna, sa att författarnas teori om rymdmönster är unik för att kombinera beteendemässiga och ekologiska faktorer.

"Till mig, det som är nytt är den alternativa förklaringen till fe -ringarna som demonstreras av termitmodellen, plus den kombinerade förklaringen av flerskaliga mönster med en kopplad termit-vegetationsmodell, "sa han." Detta är viktigt inte bara för att förstå mönstret av Namiböknen, men eventuellt även andra system och områden på grund av kombinationen av socialt beteendemässiga och fysiskt-ekologiska aspekter. "

Teoretisk harmoni

De Natur papper förenar befintliga teorier om naturlig mönsterbildning som hade betraktats som konkurrerande snarare än kompletterande, sa medförfattaren Juan Bonachela, en tidigare postdoktor i Princeton, nu assisterande professor i ekologi och evolution vid University of Strathclyde i Skottland.

"Det har länge funnits två ledande teorier om hur dessa vanliga mönster, och särskilt sagokretsar, är formad, och dessa teorier har traditionellt presenterats som ömsesidigt uteslutande, "Sa Bonachela.

"Våra fynd harmoniserar båda teorierna och bidrar till uppsättningen möjliga förklaringar till vanliga vegetationsmönster som observerats runt om i världen, "sade han. Bonachela noterade också att det nya arbetet ger insikt i hur miljöer reagerar på störningar." Detta beteende påverkar hela ekosystemet, låta den överleva hårdare förhållanden och återhämta sig från torka mycket snabbare än om det inte fanns några termiter. "

Samma forskargrupp rapporterade i tidningen Vetenskap 2015 kan termithögar avvärja ökenspridning i torra savanner och gräsmarker. Högarna lagrar fukt och näringsämnen, och termiternas invecklade tunnlar gör att vatten bättre tränger in i jorden.

Salvatore Torquato, en Princeton -professor i kemi och Princeton Institute for Science and Technology of Materials, sa att de vegetativa mönster som forskarna undersökte verkar ha en "exotisk" komplexitet som kallas "hyperuniformitet" som finns i många system. Först identifierades i en 2003 -uppsats av Torquato och kollegor, hyperuniformitet hänvisar till en storskalig struktur som härrör från de långsiktiga interaktionerna mellan dess element.

"Anmärkningsvärt, vegetationsmönstren påminner om några exotiska strukturer som uppstår i atomsystem, fastnat granulatmedia, och fotoreceptorcellerna i näthinnan, "sa Torquato, som är bekant med forskningen men inte hade någon roll i den. "I det här fallet, långsiktiga interaktioner tycks härröra från tävlingen och andra interaktioner mellan olika enheter-djur, växter, etc. - i ekosystemet.

"Jag tycker att det här arbetet är mycket insiktsfullt och banbrytande, och det öppnar dörren för att bättre förstå hur flera mekanismer interagerar över skalor för att producera komplexa ekosystemstrukturer, "Torquato fortsatte." Detta dokument presenterar många spännande och fascinerande vägar för framtida forskning. "