Tajemnicze kręgi na pustyni wyjaśnione przez teorię Alana Turinga sprzed 70 lat

Matematyka nie zawsze dogaduje się z przyrodą. Często twory biologiczne lubią wymykać się „zimnym wyliczeniom”. Okazuje się jednak, że pewna teoria matematyczna idealnie oddaje zaskakujące zjawisko.

Matematyka spotyka się z biologią

W artykule z 1952 roku zatytułowanym The Chemical Basis of Morphogenesis angielski matematyk Alan Turing zadziwił świat naukowy. Opisał, w jaki sposób wzory w przyrodzie mogą powstawać w sposób naturalny i autonomiczny z jednorodnego, jednolitego stanu. Najnowszym wcieleniem tego teoretycznego zjawiska okazują się wyjątkowo bajkowe kręgi roślin.

Są to tajemnicze formacje pustynnej trawy, które rosną wokół wyraźnie okrągłych płatów suchej gleby. Po raz pierwszy udokumentowano to zjawisko na pustyni Namib w południowej Afryce. Wyjaśnienia ich istnienia sięgają od mitycznych po przyziemne, a jeszcze kilka lat temu wciąż dyskutowano o ich pochodzeniu.

Kręgi pełne dobrych duszków

Na początku jeden z poglądów twierdził, że dziwne kręgi wynikały z aktywności termitów pod afrykańską ziemią. Jednakże kolejne odkrycie „kręgów wróżek” na australijskim odludziu skomplikowało argumentację związaną z termitami. Alternatywnie, naukowcy zaproponowali, że kręgi są wynikiem aranżacji samych roślin, aby jak najlepiej wykorzystać ograniczone zasoby wody w surowym, suchym środowisku.

Brzmi to wiarygodnie, a jeśli to prawda, byłoby to również kolejnym naturalnie występującym przykładem wzorca Turinga. Jednak naukowcy twierdzą, że nie ma zbyt wielu dowodów empirycznych, które faktycznie potwierdzałyby tę hipotezę. Wszystko dlatego, że fizycy, którzy mają tendencję do wykorzystania teorii Turinga tych systemów, rzadko prowadzą prace terenowe, które miałyby potwierdzać ich teorie.

Na przekór tego wyszedł zespół kierowany przez ekologa Stephana Getzina z Uniwersytetu w Getyndze w Niemczech. Ich niezwykłe doświadczenia oraz odkrycia opublikowano w Journal of Ecology: Jak sami tłumaczą:

Istnieje silna nierównowaga pomiędzy teoretycznymi modelami roślinności. Musimy potwierdzić, że założenia są poprawne z ekologicznego punktu widzenia, albowiem brakuje na to dowodów empirycznych.

Badania empiryczne

Aby wypełnić tę lukę Getzin i inni badacze użyli dronów wyposażonych w kamery wielospektralne. Wykorzystali je do sfotografowania kręgów z lotu ptaka w pobliżu górniczego miasta Newman w regionie Pilbara w Australii Zachodniej. Zgodnie z jedną z hipotez zespołu, układ według wzoru Turinga byłby silniejszy wśród traw o większej zależności od wilgoci.

Analizując przestrzenną separację traw o wysokiej i niskiej witalności oraz używając czujników wilgotności do sprawdzania odczytów na ziemi, zespół odkrył, że zdrowsze trawy o wysokiej witalności były systematycznie silniej kojarzone z kręgami wróżek niż z trawami o niskiej witalności. Innymi słowy, po raz pierwszy mamy dane empiryczne, które sugerują, że kręgi wróżek są zgodne z wiekową teorią Turinga:

Intrygujące jest to, że trawy aktywnie modyfikują swoje środowisko, tworząc symetrycznie rozmieszczone układy odstępów. Roślinność korzysta z dodatkowego spływu wody dostarczanego przez duże kręgi wróżek, dzięki czemu suchy ekosystem funkcjonuje nawet w bardzo trudnych, suchych warunkach. Bez samoorganizacji traw obszar ten prawdopodobnie stałby się pustynią zdominowaną przez nagą glebę.

Zdaniem naukowców trawy, które tworzą kręgi, rosną razem w sposób kooperacyjny, modulując swoje środowisko, aby lepiej radzić sobie w prawie wiecznej suchości ekosystemu. Zespół twierdzi, że potrzeba jeszcze więcej pracy w terenie, aby dokładniej zweryfikować modele matematyczne, ale na razie wygląda na to, że możemy być bliżej niż kiedykolwiek zamknięcia książki na temat tego tajemniczego zjawiska.

Tworząc okresowe wzory szczelin, roślinność korzysta z dodatkowych zasobów wodnych dostarczanych przez szczeliny. Dzięki temu utrzymuje funkcjonalność ekosystemu przy niższych wartościach opadów w porównaniu z tradycyjną jednolitą szatą roślinną.