自然生态：巨蚁窝与仙子环

行走澳洲

澳洲北部地区的一大景点就是巨蚁窝。 常常成片成片的。虽然游客观赏的不少，但是对于蚁窝的介绍相对来说比较简单，除了类型外，还有就是巨蚁的社会结构。它们所处的环境等情况信息不多，网上寻找内容也不详细。

近来有空阅读科学杂志，读到了美国最新的研究报告，很为激动，回答了内心的许多问题. 记得不少旅友也很好奇,便花了些时间，将这篇报告内容按照自己的理解翻译改写成中文，也是一种交代。

澳洲北部常见的教堂蚁窝，据说是世界上最好的内部工程设计。

称之为磁性蚁窝因为这类蚁窝永远面对南北。这类磁性蚁窝分布于湿地之中，南北朝向据说易于调节内部湿度。

在主题文章开始之前，先对蚁窝与仙子环做个定义：

• 蚁窝在英文中指的是Termite的窝而不是常见的蚂蚁，与平常的蚂蚁Ant是不同的类中。Termites外表总体比较大，虽然也有少数大个子蚂蚁，Termites有几点与蚂蚁不同：1）四只同等大小的翅膀，但是尺寸而言是本体的两倍，所以看着像巨蚁，而蚂蚁前面的两翅比后面的一对要大，但尺寸并不大；它们的触感须呈直形与蚂蚁的弯形不同；

• 有人将Termite翻译成白蚁，这是不正确的。白蚁是termite的一种。Termite有许多不同的种类，蚂蚁也有许多种；

• 蚂蚁虽然个子小，却是Termite 的天敌，会攻击甚至吃掉Termites，但也可以在同一区域两不相扰的共生；

• 本篇中为了方便，将Termites简称为巨蚁；

• 仙子环是人们在非洲，澳洲，南美等地方观测到的地面表层现象：大片的地面呈现一个个小圆点。对于小圆点不知缘由的人们称其为仙子圆环。如今科学家们对于这些圆环的起因各有争议。目前大多数倾向于是由地面下的Termite巨蚁窝造成的。

• 非洲的仙子环已经成为旅游项目，每年吸引着成千上万的游客飞去非洲观赏。而澳洲的发现使得科学界极为兴奋，因为不同的地域可以寻找共同点以解决这个自然之迷。

下面的文章是源于科学美国人杂志2018年八月版，作者Lisa Margonelli。 翻译不是全文，是主要内容的翻译，以便理解。

典型的非洲仙子环。多见纳米比亚与肯尼亚。

仙子环在澳洲西部多次发现，虽然外观上似乎没有非洲那么可观。而所有发现地都是在西海岸北部Pilbara地区。这里是古老澳洲大陆上最古老的两个地质区域之一。接近我目前寄宿的荒漠地。

纳米比亚的仙子环。

西澳的仙子环近观。

仙子环在非洲与澳洲分布区域。

作者以澳大利亚多个遗弃矾矿地被巨蚁重新修复改良例子起笔提问：巨蚁肥沃了土地，促使野草再生，除此之外，是否其中还蕴含着更多的理论呢？毕竟由小虫子撒下多些氮肥的粪便到一大片森林的矗立还是有着很大距离的。这些巨蚁在那里究竟干了些什么以致地貌的变化？这疑问将科学研究报道者Lisa Margonelli 带到了数学家 Corina Tarnita 与生物学家 Robert Pringle 的项目中。

普林斯顿大学生态学家Rob Pringle 在生态观察中采用如下方式发现环境状况， 他把一块地面划成格状， 然后定下特定物种在每一格中记数。比方说如果有蜥蜴就有小虫；有小虫就有植物；有植物就有些水。当这格状地有足够植物吸引足够大象喜爱的蜥蜴时，便出现了大象。
在比较干燥的肯尼亚大草原，Robert在他的分格中记录了 300-500种壁虎数量。有两个类地方壁虎数量剧增：弃置的牧牛场存留着牛粪的畜栏内，还有蚁窝地域。 第一种情形容易理解，牛粪自然养肥了葱绿的植物，因此吸引着昆虫，然后是壁虎。 但是蚁窝地域与壁虎的关系却尚未确立，为什么壁虎会有所增加。
在肯尼亚那个地区生长菌类的 Odontotermes蚁窝 大部分是在地底下建窝的，所以它们看上去不像其他非洲地区到处可见的泥指头般的蚁窝， 它们更像水痘似点在大地的肌肤上。每个蚁窝距离四周的其他蚁窝大约有18-30多米。越接近蚁窝中心， Rob发现越多的壁虎。然后他细看丛生禾草与金合欢数，显示着同样的模式。就好像那些巨蚁由地底下将整个地面上的地形重新组织成了巨大肥沃的棋盘。 “ 这些巨蚁用不着爬出地面就不知不觉地控制着地面。” Rob说。
一些·科学家认为，一部分原因一定与营养有关。他们发现蚁窝附近的泥土比远离蚁窝的泥土含有更为丰富的氮与磷成分，因此蚁窝附近 不仅有更多的树草，并且在叶片中也含有更多的 氮成分，使之更有营养，这可能使得叶片的享用者觉得更为上口。

巨蚁还移动沙粒，致使蚁窝内部的水的动向不同寻常。 有人问Rob, 这些巨蚁是否在‘耕种’土壤，促使禾草成长为其食物？Rob认为一点是很清楚的，它们确实关注着地底菌类的生长，但是地面上发生现象的机制仍然不明。有可能是一系列反馈循环产生了各自得益的结果。蚁窝附近的泥土蓄水不同， 到底如何发生还不明了。“巨蚁在调节水流上至关重要，但它们是个未知的黑洞。”
令Rob泄气的是巨蚁在土地上创造的模式，仿佛 巨蚁将原本单调的平原变成了一系列热点就像一片格状。这空间的安排有一定的规则，使得整个系统更为丰厚。新兴的远距离摄影技术的发展， 如今拍摄地面俯视影像成为可能，但是Rob看着这些影像却无法理出头绪来，不知所以。在哈佛大学，Rob向从事数学的 Corina Tarnita 吐诉怨气。Corina近些年来对昆虫互相间的合作极有兴趣。她与生物数学家合作发表了社会昆虫演化的学术报告，收到很高的评价。 Corina的数学模式在这项研究成功的突破中具有关键性的作用。

于是Corina与Rob一起去了肯尼亚，最初的地面观看，到处都是相同的情景。逐渐的平坦的草地中开始呈现图样，Corina有了灵感，觉得可以发现更多。她说，我可以感觉到有图样，但我抓不住。一天下午经过一块被烧过的田野时，地面不再是波浪般的草丛，只是剩下的草垛。突然的，Corina觉得她可以看见图样了, 她要求站到Range Rover的车顶，这时她看到了间杂在焚烧过的草墩中的分离却又互相对应的两种图样。

先是圆点图纹，而后 她觉得蚁窝之间有一种豹斑图纹。

而后 她觉得蚁窝之间有一种豹斑图纹

对于生物数学研究者而言，豹斑蚊更为吸引人，因为它是隐含着理论的自然形状。它被称为Turing图样，最早是英国数学家 Alan Turning提出的。 它们是这世界各种组成中最基本的部分，影响着所有的事物，从盥洗池中最小的粘菌形式到兔子大脑中嗅觉的组成。

Rob最初对于这惊人的发现致以怀疑的态度，但是在看到大量的照片后，地面的图样是无可置疑的。

Corina开始了她的工作：建立数学模式证实所见的视觉设想，然后用遥相呼应的机制推测在自然中可能呈现的 图样。也就是说Corina需要将造成视觉所见图样的各种数学条例成列出来，然后加上植物功能细则，就如侦探工作一般。

模型显示，巨蚁外出寻食的区域越来越大。经过多少年代，地面便有了越来越多的蚁窝，蚁窝间开始触碰，便有拼死之争。直到所有的蚁窝具有同等的巨蚁数量时，这时便达到一种平衡，蚁窝间开始保持一定的距离。蚁窝寻食圈围相交时，便形成边境。虽然地面上并不呈现视觉边界，但地下的划分却是现实的存在。蚁窝分布均匀时，大多会有六个邻居，最终这些蚁窝就成为六边形的补丁片块，与每一个蚁窝之间保持着均衡的最大距离。

许多其他动物都有这种自然形成的六边形地域，包括狼群，阿拉斯加矶鹞，甚至一些鱼类。

然后研究人员开始设置草丛图案模型。Turing图样的基本概念是两种不同的反馈机制：近距离内，生长受到鼓励或者是激活；远距离外受到抑制。比方说，靠近的植物可以在吸收雨水时形成根部网络，有效地互相帮助。一定距离之外的根部网络便形成了对立竞争。促近而抑远是一种生存需要。在模式中，给与既定参数，然后在它们相遇互相反应的地方建立模型，通过一段时间，就会形成一种图案。那些有着促生环境的会形成大点豹斑蚊，而受抑的环境便形成了小圆点。测试参数的不同组合，会得到各种形状：龟壳形，一堆圆饼状，间距的或者横条的，甚至迷宫式的图案。这些图案更像现实世界，比如贻贝岩，珊瑚礁与菌类等。生物学家们思辨，激活促生性取决于范围与程度的反馈。促生因素可以是水，荷尔蒙，或者互援微生物。而抑制性因素可以来自干旱，荷尔蒙或者天敌。

Cortina 与另一位受过统计物理训练的理论生物学家Juan 运用肯尼亚草场促生与抑制因素建立了一种数学模式，显示了依赖于反馈的图样。模式假设先是仅有草丛，或者有限水源的情景。而后根据假设情景的程度依次推测地面形态：从草地到迷宫式的变化，最终到沙漠的状况。这种推测的结果与他们在地面所摄相片的实景非常相似。Corina说到 “好，我们可见充分的互动反馈草丛图案“，”我们是否可以与蚁窝图案结合起来呢？“。于是她将巨蚁自组的模式与依从于反馈的草丛模式组合起来，这时不再是中央圆点均匀六边形的蚁窝图案或者单一的草丛豹纹斑，而是豹纹斑交杂于六边形之中：元素丰富的蚁窝中央显示着稠密的葱绿，边缘则显得稀疏。两种交叉模型在不同雨量情况下的互动影像打印出来，泛泛而言像常见的非洲布料图形：常规分布的大圆点处于背景泛白的图案中。那圆点就是蚁窝，而泛白图案便是草丛间深淡相错的豹纹斑。当与卫星上拍摄的非洲蚁窝地面相片比较时，看上去极其相似。他们甚至可以将卫星图片在泛白图案部分放大，可见草堆的形状，与研究组在地面拍摄的照片吻合。这样的图案是裸眼难以辨别的。Rob说“模型组合后的推测与具体数据让我信服。“

澳洲迷宫式地面图形。

有数学模式推断而来的重叠图案。

创建模式进行推测验证，这个过程提供了更进一步的洞察。在调整测试多少雨水进入蚁窝会产生如何不同结果的图案过程中， Corina发现与蚁窝相接的草丛可以在很少的水分中幸存，比预计的幸存所需水分少得多。简单地说，蚁窝使得周围地面具有更强的抗旱性。

这种观察有非常实际的益处。 生物学家已经开始利用迷宫与圆点图案预测一些干涩的草场会逐渐变成稀疏的碎片，然后变成灾难性的沙漠。对非洲与澳大利亚来说这是很实际的忧虑。根据理论模型推测，2000年代中期，干地系统崩溃时，不是渐进式的而是霎那间的。整个过程是从迷宫形进展到圆点形，然后就如坠入悬崖般地转变成为沙漠。沙漠状将是难以逆转的。

Corina在调整模式雨水量，模拟系统崩溃时发现地面若有蚁窝存在，这种发展是非常缓慢的，不是通常形容的坠入悬崖而是步下阶梯。这意味着有蚁窝之处，变成沙漠的机率很小。即使变成沙漠，只要蚁窝还在，一旦雨水来临，大地很可能会恢复原状。草丛会先在蚁窝上发芽，然后在明显的图案内。巨蚁会使得整个地区茁壮发展。这样不单单为壁虎提供了家园，为大象提供了食物，同时当干地扩展占据世界40%的地面时，气候会发生变化，雨水会重新分布。蚁窝也许会真实地拯救地球一次。

这模式很理想，研究组的下一步是要建立更为复杂的模式，加入细节，然后将模式推测结果在肯尼亚的田野里实证。

关于仙子环的缘由的争论仍然此起彼伏，模式的细节化与测试结果可以给争论带来具有说服力的证据。

对于Corina，她并不关心仙子环的争论，她想要的是理解形成多重图案并互为因果的大范围内的牵动机制。“我想，那小小的微生物非常神奇，它们是混乱复杂的生态系统的一部分，可以产生常规图案”。

在博茨瓦纳草原上，金合欢树生长在蚁窝上，草丛覆盖着周围的蚁窝。

科学家们认为，澳大利亚西澳州北部的著名景点邦沟邦沟就是蚁窝防止了景区的沙漠化。

笔者 Lisa Margonelli 在文章的结尾自述：
“有一段时间，对于人类无能超越自身看到巨大宇宙，我内心极为斥责，我们竟然都没有这么小小的‘野心’！普林斯顿生态学家Simon Levin 关于生态范围问题的演讲让我顿悟。此书使我意识到人类也是目前实验的主题。我们对于环境局部的意识力正是我们成为今天人类的一个因素。Levin指出对于世界的研究需要建立在尺寸，时间与结构的多种范围中多种变数中 – 没有一个所谓的正确范围。事实上关注世界的局部范围是人类演化历史及其演化方向的产物。” 观察者加入了主观的偏见，这偏见就如一种系统观察的过滤装置，它在演化中具有本质上的重要意义。因为每一类生物都是它所属环境的观察者，适者生存的历史选择，诸如是扩展还是暂眠的选择都会改变物种的知觉范围与观察的限制性。“不管是人类还是巨蚁，各自的局限在如何认知世界上是铸造现存的我们的核心力量。”