エイリアンは本当に砂漠に円を描いたのでしょうか？

南アフリカのナミビアの砂漠草原には、とても奇妙な自然現象が存在します。乾燥した草原の表面には、植物が育たない不思議な円形の裸地が出現します。この現象は「フェアリーサークル」と呼ばれます。

画像出典：参考文献[6]

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神秘的な「妖精の輪」：

奇妙な植生分布パターン

ナミブ砂漠は、荒涼として荒涼としているが、壮大で独特な景観を誇ります。これらの円形紋はナミブ砂漠沿いの乾燥した草原に広く分布しており、その数は数百万にも及び、直径は2～12メートルに及ぶ。それぞれの円は裸の砂で満たされており、そこには植物は育ちませんが、円の外側には雑草が生い茂り、円の端の草は特に青々と茂っています。

「妖精の輪」はナミブの広大な乾燥した草原全体に均等に分布しており、奇妙な模様を形成しています。鳥瞰すると、布地に点が密集しているように見えます。

地元の伝説では、これらの神秘的な円は「神の足跡」です。ナミブ砂漠の草原の地下には巨大な竜が潜んでおり、竜が地中に吐き出す有毒ガスのせいで、周囲には草が生えていないという話もある。さらに、ミステリーサークルをミステリーサークルと関連付け、これらのサークルは UFO の着陸によって残された痕跡であると考える人もいます。

ナミブ砂漠を見渡す。画像出典: Wikipedia

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終わりのない論争：

「フェアリーサークル」についての意見

科学者たちは半世紀近くにわたって「妖精の輪」の原因を解明しようと努めてきましたが、この神秘的な自然現象を合理的に説明するには実際的な困難が数多くあります。 「妖精の輪」の起源については絶えず議論されており、さまざまな説が生まれています。

最も主流の見解は 2 つあります。

最初の理論は、サークル内の植物の死はシロアリが植物の根を食べることによって引き起こされるというものです。この見解では、動物の活動が妖精の輪の形成の原因であると最初に仮説が立てられ、特に砂シロアリ仮説が提唱されました。

砂シロアリ。画像出典: Wikipedia

ドイツの植物学者ユルゲンスらは、地元の草原に生息する砂シロアリが根食いであり、新しく発芽した草の根を食べて植物を枯らし、その結果、植生のない裸地が形成されると信じていました。

あるいは、シロアリは巣の近くの地下水の損失を防ぐために、蒸発を避けるために草の葉を食べるのかもしれません。この理論は単純に聞こえるので、人々が受け入れるのは簡単です。

しかし、その後多くの研究者が「妖精の輪」の大規模な現地発掘調査を実施し、その調査結果の大半は、この地域にはシロアリもその巣も存在せず、一部の「妖精の輪」とシロアリの間には因果関係がないことを示しています。砂シロアリや妖精の輪に住む他の動物が、輪の中の植物の根に損害を与えるという証拠はありません。

2 番目の理論では、「妖精の輪」の形成は植物の自己組織化行動に関連しているとされています。この円形模様は、ナミビアの乏しい水資源をめぐって植物が競争した結果生じたものだというのが理論だ。植物は根を通して土壌から水分を吸収し、その競争により循環内の植物が干ばつで死滅します。この理論は最新の研究結果によってさらに確認されました。

ナミブ砂漠では、砂漠の極度の乾燥と予測不可能な降水量により、一年草の成長はまれな降水事象に対する不規則で短期的な反応となります。 「妖精の輪」の形成は降雨量と密接に関係しています。雨が降った後、新しく生えた草はそのライフサイクルを完了するのに数週間しかかからないため、「妖精の輪」の謎を解き明かしたいのであれば、雨が降った後の現地調査の機会を捉える必要があります。

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03

霧が晴れてきた。

植物間の水資源をめぐる「競争」

ドイツの生態学者ゲッツィン氏らは、「妖精の輪」の謎を解くために、長年にわたりナミブ砂漠で追跡調査を行ってきた。

2022年10月に最新の研究成果を発表しました。研究チームは、2020年から2022年にかけてナミビア沿岸の降雨量を追跡・分析し、草の種子の発芽と成長のきっかけとなった降雨後の異なる時間間隔で「妖精の輪」における草の枯死の原因を評価したほか、輪の中の植物に対するシロアリの影響も評価した。

画像出典：参考文献[1]

研究チームは土壌水分センサーを使用して乾季から雨季にかけて土壌水分を測定し、新芽が土壌水分レベルに空間的および時間的にどのような影響を与えるかを研究しました。結果は、「妖精の輪」の草の枯死の原因がシロアリの活動によるものではないことを示しています。

同時に、測定および分析結果から、仙人円とマトリックスの間の水分浸透率に系統的な違いがないことも判明しました。つまり、植物の萎れは、妖精の輪の中での浸透速度の速さによって引き起こされるわけではないということになります。

しかし、土壌水分測定記録によると、降雨後、「妖精の輪」の外側の草が急速に成長し、「妖精の輪」の上部土壌の水分が著しく減少したことがわかりました。

「フェアリーサークル」の草が雨が降るとすぐに枯れてしまうのは、植物の水分ストレスのためです。つまり、円の外側の植物が水を奪い合ったために、円の中の植物は水不足で枯れてしまったのです。この結果は、ナミビアの「妖精の輪」が生態水文学的フィードバックによって引き起こされる自己組織化植生現象であることを示唆しています。

過去の研究において、生態学者は妖精の輪が地下水を蓄えることができることに常に同意してきた。妖精の輪の奥深くの土壌水分は、周囲の植生の土壌水分よりも数倍高くなります。しかし、土壌水分量の増加は主に 30 ～ 100 cm の深さで発生し、新しい植物の苗は通常、上層の土壌でのみ発芽します。円の上層の乾燥した土壌は植物の生存を支えることができません。

画像出典: Wikipedia

植生の自己組織化の理論によれば、干ばつ条件下では、「妖精の輪」の周りの草の間の生態水文学的フィードバックによって、上層の土壌の水分が枯渇します。そのため、「妖精の輪」の隙間の中の植物は深刻な水ストレスを受け、生育が困難になります。

十分な水分を供給するのに十分な降雨がなければ、植生の回復はほぼ不可能です。研究チームは、異常な大雨の後、裸地が青々とした草地に戻る様子を目撃した。

ナミブ砂漠では、植物による水分の吸収量が多く、バイオマスの拡大に比べて土壌水分が横方向に急速に拡散することで、フェアリーサークルが形成されます。いわゆる「吸収拡散フィードバック」効果により、ナミブ砂質土壌におけるバイオマスと水の空間分布が逆転し、植生ギャップの形成につながります。

他の研究チームによるこれまでの現地調査に基づき、水は短時間で妖精の輪の間を水平方向に7メートル以上移動できることが実証されています。このような資源の集中とバイオマスの局所的な凝集により、地球規模で自己組織化パッチが形成されます。

妖精の輪の隙間と、乾燥地関連の植生の縞模様や斑点の周期的な形成パターンは、その地域での降雨量が不足し、植物の連続層の成長が維持できないことを反映しています。

ナミブ砂漠。画像出典: Wikipedia

全体として、この研究では、フェアリーサークルの周囲の草によって積極的に誘発される生態水文学的フィードバック効果と土壌水分の横方向拡散が、水ストレスを引き起こし、最終的にフェアリーサークル内の植物の急速な死につながる最も可能性の高いメカニズムであると特定されました。

吸収拡散フィードバックは均一な植生を不安定にし、いわゆる「チューリングパターン」を引き起こします。

ちなみに、数学者のアラン・チューリングは1951年に有名な「形態形成の反応拡散理論」を提唱したため、チューリングのモデルは反応拡散機構とも呼ばれています。この理論は理論生物学の基本モデルとなった。

これは、自然界のパターン（点、斑点、縞、螺旋など）が均一な状態から自然に出現する様子を表します。これらのパターンはチューリングパターンと呼ばれます。

チューリングパターン理論に基づき、科学者は数学を用いて、トラやゼブラフィッシュの縞模様、ヒョウの斑点など、化学システムや生物システムで形成される安定した構造や規則的な繰り返しパターンを説明することができます。

結論

ナミブ砂漠の草原では、「妖精の輪」の外側に生える草が、輪の中の土壌水分を活発に変化させ、「生態系エンジニア」として機能しています。彼らは、妖精の輪によって供給される余分な水から「恩恵」を受け、植生に周期的な隙間を作り、その中で他の草が育つのを防ぎます。

ナミブ砂漠の均質な砂の中では、極めて規則的で空間的に周期的な「妖精の輪」の集合により、植物の間に高密度の隙間が生まれ、草に「生命の源」である水が供給されます。

この特性は、水資源が極めて乏しい環境で植物が生き残るために非常に重要であり、「妖精の輪」のような奇妙な植生ギャップパターンの出現にもつながります。

参考文献:

[1] Cramer MDとBarger NN。 PLoS ONE、2013年、8(8):e70876。

[2] Cramer MD、et al.エコグラフィー、2017年、40:1210–1220。

[3] ゲッツィンS、et al. PNAS、2016年、113：3551–3556。

[4] ゲッツィンS、et al. PPEES、2022、https://doi.org/10.1016/j.ppees.2022.125698

[5] ユルゲンス・N.サイエンス、2013、339：1618-1621。

[6] Kappel C、et al.コミュニケーションバイオロジー2020年3月698日.

[7] Tschinkel W R.PLoS One、2015、10：e0140099。

[8] チューリングA M.フィロス。翻訳。 R. ソシエテB、1952年、237:37-72。

制作 |科学普及中国

著者: 李 銀 (中山大学生命科学学院)

プロデューサー｜中国科学博覧会

提出者: 中国科学院コンピュータ情報ネットワークセンター

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