Ya sean los montículos de Mima del estado de Washington o los famosos "círculos de hadas" de Namibia en el suroeste de África, la gente está cautivada por los patrones regulares de crecimiento de las plantas que cubren los paisajes desérticos y de pastizales, a menudo con una consistencia fascinante.

Los científicos han debatido durante mucho tiempo cómo se originan y persisten estos fenómenos. Ahora, una nueva teoría sugiere que en lugar de una sola causa general, Los patrones de vegetación a gran escala en ecosistemas áridos podrían ocasionalmente derivarse de millones de interacciones locales entre plantas y animales vecinos. según un estudio dirigido por la Universidad de Princeton publicado el 19 de enero en la revista Naturaleza .

Como muñecas rusas que anidan, Los patrones a pequeña escala formados por plantas en respuesta a la escasez de agua se encuentran dentro de una formación de lunares más grande creada por los nidos de insectos sociales como termitas y hormigas. Los nidos, a su vez, aparecen como grupos circulares de vegetación o como brechas de suelo desnudo, dependiendo de cómo los insectos afecten el crecimiento de las plantas.

Las imágenes de satélite de cuatro continentes mostraron que los nidos de insectos a menudo están espaciados de manera notablemente uniforme, teniendo cada nido un promedio de seis vecinos. Los investigadores utilizaron modelos matemáticos y simulaciones por computadora para mostrar que la agresión territorial entre colonias adyacentes puede producir este arreglo. que conduce a un hexagonal a gran escala, o panal, distribución de los nidos. Las colonias individuales se extienden hacia afuera hasta que se encuentran y luchan con sus vecinos, ocasionalmente matando colonias más pequeñas. Tiempo extraordinario, esto conduce a un mosaico de territorios de seis lados. Cada uno de los seis lados representa la línea del frente entre una colonia y sus enemigos de al lado.

Autora principal Corina Tarnita, profesor asistente de ecología y biología evolutiva en Princeton, explicó que el patrón surge cuando las colonias de termitas son aproximadamente del mismo tamaño y el paisaje es homogéneo.

"Muchos insectos sociales tienden a ser territoriales y las colonias a menudo luchan hasta la muerte, "Tarnita dijo." Cuando aparece cualquier montículo incipiente en un territorio existente, las termitas establecidas eventualmente lo encuentran y lo destruyen. Tiempo extraordinario, las colonias grandes destruyen a las más pequeñas. Pero las grandes colonias terminan coexistiendo en una guerra fronteriza perpetua sin que ninguna de las dos gane terreno ".

Las formaciones de panal proporcionan la partición óptima del espacio entre las diferentes colonias, Tarnita dijo. "Eventualmente terminas con colonias de tamaños muy similares que están lo más lejos posible unas de otras, sin dejar al mismo tiempo ningún espacio desocupado ".

Tarnita explicó que muchos patrones en todo el mundo, desde los territorios de los peces hasta la disposición espacial de los nidos de aves, probablemente sean el resultado de la agresión territorial. "A menudo, estos patrones son difíciles de ver. Lo que hace únicos a los insectos sociales y otros animales excavadores es que sus nidos crean una pista visible de dónde están sus territorios, "Dijo Tarnita.

"Uno de nuestros objetivos en este trabajo fue comprender cómo se pueden formar los patrones de vegetación a partir de la competencia territorial por los recursos entre las colonias sociales de insectos, pero el modelo podría aplicarse de manera muy amplia para caracterizar patrones espaciales en otros animales territoriales, " ella dijo.

'Círculos de hadas' y otra parte de la historia del patrón

Patrones de vegetación a gran escala, sin embargo, no siempre son toda la historia. En los espacios entre nidos de insectos predomina un proceso biológico diferente. Allí, las plantas se organizan de acuerdo con un principio conocido como "retroalimentación dependiente de la escala".

Los investigadores probaron este marco en círculos de hadas de Namibia:parches redondos de arena del desierto, 2 a 35 metros (6,5 a 114 pies) de diámetro, rodeado de anillos de hierba alta. Llamado así por la creencia popular en su origen sobrenatural, Los círculos de hadas se han convertido en el foco poco probable de controversia científica después de que la investigación de 2013 sugiriera que las termitas crean los parches desnudos al atacar a las plantas. Ese documento desató una serie de publicaciones que respondían que los círculos, en cambio, surgieron de la autoorganización de las plantas.

los Naturaleza estudio muestra que estos dos mecanismos no son mutuamente excluyentes, y que ambos pueden estar operando en los desiertos de Namibia. Los investigadores adaptaron sus modelos para incluir el efecto de las plantas que eliminan las termitas para crear los discos desnudos. Esta acción aumenta el contenido de humedad del suelo dentro de los círculos, permitiendo que las plantas circundantes prosperen y produciendo los característicos anillos altos de hierba. Mientras tanto, el diseño hexagonal de todo el paisaje de círculos y anillos de hierba surge de la fuerza repulsiva de la guerra territorial entre las colonias de termitas vecinas.

En condiciones ambientales adversas, las plantas a menudo benefician a sus vecinos inmediatos al proporcionar un mínimo de sombra y concentrar la humedad del suelo en la zona de las raíces, conduciendo a la formación de pequeños grupos de vegetación. Cuando estos grupos se vuelven demasiado grandes, la competencia por el agua supera los beneficios de la asociación de vecinos, lo que conduce a parches de suelo desnudo adyacentes a cada grupo de plantas. El resultado neto de este proceso es un patrón de parches de crecimiento de plantas espaciados uniformemente dentro de una matriz de suelo desnudo. Es una imagen especular del patrón de nido de insectos, pero en la escala de centímetros en lugar de metros y surgiendo de un mecanismo biológico diferente.

Los investigadores muestran que la combinación de estos dos procesos distintos —competencia de insectos y retroalimentación dependiente de la escala de las plantas— genera una descripción más realista de la vegetación del desierto que la que cualquiera de los dos procesos puede lograr de forma independiente.

Estudios previos de los círculos de hadas, por ejemplo, no había informado sobre la vegetación entre los círculos. Sin embargo, Los nuevos datos de los investigadores de Namibia muestran, como predijeron sus modelos teóricos, que allí se encuentran pequeños racimos de plantas espaciados regularmente.

La mecánica de la naturaleza

Coautor Robert Pringle, un profesor asistente de Princeton de ecología y biología evolutiva, dijo que el estudio busca descubrir la mecánica básica de las interacciones naturales para ayudar a los científicos a comprender "cómo funciona la naturaleza y cómo se articula". Este conocimiento mecanicista es importante para los intentos de rehabilitar sistemas naturales dañados por el cambio climático y la destrucción del hábitat. él dijo. Pringle y Tarnita exploraron la prevalencia global de tal autoorganización espacial en otro artículo publicado en el Revisión anual de entomología en Enero.

"Los modelos de nuestro artículo se basan en interacciones fundamentales que ocurren entre organismos vecinos, y esos son omnipresentes, ", Dijo Pringle." Este tipo de patrón regular está muy extendido, y aunque no siempre es fácil de ver, hace una gran diferencia en cómo funcionan los ecosistemas y cómo responden al cambio ambiental.

"Nuestro objetivo a lo largo de este trabajo ha sido contribuir a una comprensión coherente de los patrones regulares como un conjunto de fenómenos que surgen en muchos niveles diferentes en todo tipo de sistemas, tanto biológicos como no vivos, "Dijo Pringle." Los círculos de hadas ejemplifican maravillosamente la categoría más amplia de patrones que nos interesan ".

Max Rietkerk, profesor de ciencias ambientales en la Universidad de Utrecht en los Países Bajos, dijo que la teoría del patrón espacial de los autores es única por combinar factores conductuales y ecológicos.

"A mi, lo que es nuevo es la explicación alternativa de los anillos de hadas demostrada por el modelo de termitas, más la explicación combinada de los patrones de múltiples escalas por un modelo acoplado de termitas y vegetación, ", dijo." Esto es importante no solo para comprender el patrón del desierto de Namib, pero potencialmente otros sistemas y campos también debido a la combinación de aspectos socio-conductuales y físico-ecológicos ".

Armonía teórica

los Naturaleza El documento unifica las teorías existentes sobre la formación de patrones naturales que se habían considerado competitivas en lugar de complementarias. dijo el coautor principal Juan Bonachela, ex investigador postdoctoral de Princeton ahora profesor asistente de ecología y evolución en la Universidad de Strathclyde en Escocia.

"Hace tiempo que existen dos teorías principales sobre cómo estos patrones regulares, y especialmente círculos de hadas, están formados, y esas teorías se han presentado tradicionalmente como mutuamente excluyentes, "Dijo Bonachela.

"Nuestros hallazgos armonizan ambas teorías y se suman al conjunto de posibles explicaciones de los patrones regulares de vegetación observados en todo el mundo, ", dijo. Bonachela también señaló que el nuevo trabajo proporciona información sobre cómo los entornos responden a las perturbaciones." Este comportamiento afecta a todo el ecosistema, permitiéndole sobrevivir a condiciones más duras y recuperarse de las sequías mucho más rápidamente que si no hubiera termitas ".

El mismo equipo de investigadores informó en la revista Ciencias en 2015 que los montículos de termitas pueden evitar la desertificación en las sabanas áridas y los pastizales. Los montículos almacenan humedad y nutrientes, y los intrincados túneles de las termitas permiten que el agua penetre mejor en el suelo.

Salvatore Torquato, un profesor de química de Princeton y el Instituto de Princeton para la ciencia y la tecnología de los materiales, dijo que los patrones vegetativos que examinaron los investigadores parecen tener una complejidad "exótica" conocida como "hiperuniformidad" que se encuentra en numerosos sistemas. Identificado por primera vez en un artículo de 2003 por Torquato y sus colegas, La hiperuniformidad se refiere a una estructura a gran escala que surge de las interacciones de largo alcance de sus elementos.

"Notablemente, los patrones de vegetación recuerdan algunas estructuras exóticas que surgen en los sistemas atómicos, medios granulares atascados, y las células fotorreceptoras en la retina, "dijo Torquato, que está familiarizado con la investigación pero no tuvo ningún papel en ella ". En este caso, las interacciones de largo alcance parecen surgir de la competencia y otras interacciones entre diferentes entidades:animales, plantas etc., en el ecosistema.

"Creo que este trabajo es muy revelador e innovador, y abre la puerta para comprender mejor la forma en que múltiples mecanismos interactúan a través de escalas para producir estructuras de ecosistemas complejas, Torquato continuó. "Este artículo presenta muchas avenidas emocionantes y fascinantes para futuras investigaciones".