Che si tratti dei tumuli Mima dello stato di Washington o dei famosi "cerchi delle fate" della Namibia nell'Africa sudoccidentale, le persone sono affascinate dai modelli regolari di crescita delle piante che ricoprono paesaggi desertici e praterie, spesso con una coerenza affascinante.

Gli scienziati hanno a lungo discusso su come questi fenomeni abbiano origine e persistano. Ora, una nuova teoria suggerisce che invece di una singola causa generale, modelli di vegetazione su larga scala negli ecosistemi aridi potrebbero occasionalmente derivare da milioni di interazioni locali tra piante e animali vicini, secondo uno studio condotto dalla Princeton University pubblicato il 19 gennaio sulla rivista Natura .

Come bambole russe nidificanti, modelli su piccola scala formati dalle piante in risposta alla scarsità d'acqua si trovano all'interno di una formazione a pois più ampia creata dai nidi di insetti sociali come termiti e formiche. I nidi si presentano a loro volta come ammassi circolari di vegetazione o come interstizi di terra nuda, a seconda di come gli insetti influenzano la crescita delle piante.

Le immagini satellitari di quattro continenti hanno mostrato che i nidi di insetti sono spesso notevolmente distanziati in modo uniforme, con ogni nido con una media di sei vicini. I ricercatori hanno utilizzato modelli matematici e simulazioni al computer per dimostrare che l'aggressione territoriale tra colonie adiacenti può produrre questa disposizione, che porta ad un esagonale di grandi dimensioni, o a nido d'ape, distribuzione dei nidi. Colonie individuali si espandono verso l'esterno finché non incontrano e combattono con i loro vicini, occasionalmente uccidendo colonie più piccole. Col tempo, questo porta a un mosaico di territori a sei facce. Ciascuno dei sei lati rappresenta la linea del fronte tra una colonia e i suoi nemici della porta accanto.

L'autrice principale Corina Tarnita, un assistente professore di ecologia e biologia evolutiva a Princeton, ha spiegato che il modello si verifica quando le colonie di termiti sono approssimativamente uguali per dimensioni e il paesaggio è omogeneo.

"Molti insetti sociali tendono ad essere territoriali e le colonie spesso combattono fino alla morte, " disse Tarnita. "Quando un tumulo incipiente appare in un territorio esistente, le termiti stabilite alla fine lo trovano e lo distruggono. Col tempo, grandi colonie cancellano quelle più piccole. Ma le grandi colonie finiscono per coesistere in una perpetua guerra di confine senza guadagnare terreno".

Le formazioni a nido d'ape garantiscono la ripartizione ottimale dello spazio tra le diverse colonie, disse Tarnita. "Alla fine ti ritroverai con colonie di dimensioni molto simili che sono il più lontano possibile l'una dall'altra, mentre allo stesso tempo non lascia alcuno spazio non occupato."

Tarnita ha spiegato che molti modelli in tutto il mondo, dai territori dei pesci alla disposizione spaziale dei nidi di uccelli, probabilmente derivano dall'aggressione territoriale. "Spesso questi schemi sono difficili da vedere. Ciò che rende unici gli insetti sociali e altri animali scavatori è che i loro nidi creano un indizio visibile di dove si trovano i loro territori, " Disse Tarnita.

"Uno dei nostri obiettivi in ​​questo lavoro era capire come i modelli di vegetazione possono formarsi dalla competizione territoriale per le risorse tra colonie di insetti sociali, ma il modello potrebbe applicarsi in modo molto ampio per caratterizzare i modelli spaziali in altri animali territoriali, " lei disse.

'Fata cerchi' e un'altra parte della storia del modello

Modelli di vegetazione su larga scala, però, non sono sempre tutta la storia. Negli spazi tra i nidi di insetti predomina un diverso processo biologico. Là, le piante si organizzano secondo un principio noto come "feedback dipendente dalla scala".

I ricercatori hanno testato questa struttura sui cerchi delle fate della Namibia:macchie rotonde di sabbia del deserto, da 2 a 35 metri (da 6,5 ​​a 114 piedi) di diametro, circondato da anelli di erba alta. Chiamato per la credenza popolare nella loro origine soprannaturale, i circoli delle fate sono diventati l'improbabile fulcro della controversia scientifica dopo che la ricerca del 2013 ha suggerito che le termiti creano le macchie nude attaccando le piante. Quel documento ha scatenato una serie di pubblicazioni contro il fatto che i cerchi sono invece nati dall'auto-organizzazione delle piante.

Il Natura studio mostra che questi due meccanismi non si escludono a vicenda, e che entrambi potrebbero operare nei deserti della Namibia. I ricercatori hanno adattato i loro modelli per includere l'effetto delle termiti che rimuovono le piante per creare i dischi nudi. Questa azione aumenta il contenuto di umidità del terreno all'interno dei cerchi, permettendo alle piante circostanti di prosperare e producendo i caratteristici anelli d'erba alti. Nel frattempo, la disposizione esagonale di cerchi e anelli d'erba su tutto il paesaggio emerge dalla forza repulsiva della guerra territoriale tra le vicine colonie di termiti.

In condizioni ambientali difficili, le piante spesso avvantaggiano i loro vicini immediati fornendo un minimo di ombra e concentrando l'umidità del suolo nella zona delle radici, portando alla formazione di piccoli cespi di vegetazione. Quando questi grumi diventano troppo grandi, la concorrenza per l'acqua supera i benefici dell'associazione di vicinato, che porta a macchie di suolo nudo adiacenti a ciascun grappolo di piante. Il risultato netto di questo processo è un modello di macchie di crescita delle piante uniformemente distanziate all'interno di una matrice di terreno nudo. È un'immagine speculare del modello del nido d'insetto, ma alla scala dei centimetri anziché dei metri e derivanti da un diverso meccanismo biologico.

I ricercatori mostrano che la combinazione di questi due processi distinti - competizione tra insetti e feedback dipendenti dalla scala delle piante - genera una descrizione più realistica della vegetazione del deserto rispetto a quella che entrambi i processi possono ottenere indipendentemente.

Precedenti studi sui circoli delle fate, ad esempio, non aveva riferito sulla vegetazione tra i cerchi. Però, i nuovi dati dei ricercatori dalla Namibia mostrano, come previsto dai loro modelli teorici, che lì si trovano piccoli grappoli di piante regolarmente distanziati.

La meccanica della natura

Co-autore Robert Pringle, un assistente professore di ecologia e biologia evolutiva a Princeton, ha detto che lo studio cerca di scoprire i meccanismi di base delle interazioni naturali per aiutare gli scienziati a capire "come funziona la natura e come si mette insieme". Tale conoscenza meccanicistica è importante per i tentativi di riabilitare i sistemi naturali danneggiati dal cambiamento climatico e dalla distruzione dell'habitat, Egli ha detto. Pringle e Tarnita hanno esplorato la prevalenza globale di tale autorganizzazione spaziale in un altro articolo pubblicato su Revisione annuale di entomologia a gennaio.

"I modelli nel nostro articolo si basano su interazioni fondamentali che si verificano tra organismi vicini, e quelli sono onnipresenti, " Pringle ha detto. "Questo tipo di patterning regolare è molto diffuso, e anche se non è sempre facile da vedere, fa un'enorme differenza nel funzionamento degli ecosistemi e nel modo in cui rispondono ai cambiamenti ambientali.

"Il nostro obiettivo in tutto questo lavoro è stato quello di contribuire a una comprensione coerente dei modelli regolari come un insieme di fenomeni che emergono a molti livelli diversi in tutti i tipi di sistemi, sia biologico che non vivente, " ha detto Pringle. "I cerchi fatati esemplificano magnificamente la più ampia categoria di modelli a cui siamo interessati".

Max Rietkerk, un professore di scienze ambientali presso l'Università di Utrecht nei Paesi Bassi, ha affermato che la teoria dello schema spaziale degli autori è unica per la combinazione di fattori comportamentali ed ecologici.

"Per me, la novità è la spiegazione alternativa degli anelli di fata dimostrata dal modello della termite, più la spiegazione combinata dei modelli multiscala da un modello accoppiato termite-vegetazione, " ha detto. "Questo è significativo non solo per comprendere il modello del deserto del Namib, ma potenzialmente anche altri sistemi e campi a causa della combinazione di aspetti socio-comportamentali e fisico-ecologici."

Armonia teorica

Il Natura la carta unifica le teorie esistenti sulla formazione di modelli naturali che erano state considerate concorrenti piuttosto che complementari, ha detto il co-autore Juan Bonachela, un ex ricercatore post-dottorato di Princeton ora assistente professore di ecologia ed evoluzione presso l'Università di Strathclyde in Scozia.

"Ci sono state a lungo due teorie principali su come questi schemi regolari, e soprattutto cerchi di fate, sono formati, e quelle teorie sono state tradizionalmente presentate come mutualmente esclusive, " disse Bonachela.

"I nostri risultati armonizzano entrambe le teorie e si aggiungono alla serie di possibili spiegazioni per i modelli di vegetazione regolari osservati in tutto il mondo, " ha detto. Bonachela ha anche osservato che il nuovo lavoro fornisce informazioni su come gli ambienti rispondono ai disturbi. "Questo comportamento colpisce l'intero ecosistema, permettendogli di sopravvivere a condizioni più dure e di riprendersi dalla siccità molto più rapidamente che se non ci fossero termiti".

Lo stesso team di ricercatori ha riportato sulla rivista Scienza nel 2015 che i termitai possono scongiurare la desertificazione nelle savane aride e nelle praterie. I tumuli immagazzinano umidità e sostanze nutritive, e gli intricati tunnel delle termiti consentono all'acqua di penetrare meglio nel suolo.

Salvatore Torquato, un professore di chimica di Princeton e il Princeton Institute for the Science and Technology of Materials, ha affermato che i modelli vegetativi esaminati dai ricercatori sembrano avere una complessità "esotica" nota come "iperuniformità" riscontrata in numerosi sistemi. Identificato per la prima volta in un articolo del 2003 di Torquato e colleghi, l'iperuniformità si riferisce a una struttura su larga scala che nasce dalle interazioni a lungo raggio dei suoi elementi.

"Sorprendentemente, i modelli di vegetazione ricordano alcune strutture esotiche che sorgono nei sistemi atomici, mezzi granulari inceppati, e le cellule fotorecettrici nella retina, " disse Torquato, che ha familiarità con la ricerca ma non ha avuto alcun ruolo in essa." In questo caso, le interazioni a lungo raggio sembrerebbero derivare dalla competizione e da altre interazioni tra entità diverse:animali, impianti, ecc.-nell'ecosistema.

"Penso che questo lavoro sia molto perspicace e innovativo, e apre le porte a una migliore comprensione del modo in cui più meccanismi interagiscono su diverse scale per produrre strutture ecosistemiche complesse, "Continuò Torquato. "Questo documento presenta molte strade entusiasmanti e affascinanti per la ricerca futura".