Que ce soit les monticules Mima de l'état de Washington ou les fameux "cercles de fées" de Namibie dans le sud-ouest de l'Afrique, les gens sont captivés par les schémas réguliers de croissance des plantes qui recouvrent les paysages désertiques et les prairies, souvent avec une cohérence envoûtante.

Les scientifiques débattent depuis longtemps de l'origine et de la persistance de ces phénomènes. Maintenant, une nouvelle théorie suggère qu'au lieu d'une seule cause globale, les modèles de végétation à grande échelle dans les écosystèmes arides pourraient parfois provenir de millions d'interactions locales entre les plantes et les animaux voisins, selon une étude menée par l'Université de Princeton publiée le 19 janvier dans la revue La nature .

Comme les poupées gigognes russes, Les motifs à petite échelle formés par les plantes en réponse à la pénurie d'eau se trouvent dans une plus grande formation à pois créée par les nids d'insectes sociaux tels que les termites et les fourmis. Les nids apparaissent à leur tour comme des amas circulaires de végétation ou comme des trouées de sol nu, selon la façon dont les insectes affectent la croissance des plantes.

Des images satellites de quatre continents ont montré que les nids d'insectes sont souvent remarquablement espacés, chaque nid ayant en moyenne six voisins. Les chercheurs ont utilisé des modèles mathématiques et des simulations informatiques pour montrer que l'agression territoriale entre colonies adjacentes peut produire cet arrangement, ce qui conduit à un hexagone à grande échelle, ou nid d'abeille, répartition des nids. Les colonies individuelles s'étendent vers l'extérieur jusqu'à ce qu'elles rencontrent et se battent avec leurs voisins, tuant occasionnellement des colonies plus petites. Heures supplémentaires, cela conduit à une mosaïque de territoires à six faces. Chacun des six côtés représente la ligne de front entre une colonie et ses ennemis voisins.

Auteur principal Corina Tarnita, professeur adjoint d'écologie et de biologie évolutive à Princeton, a expliqué que le modèle se produit lorsque les colonies de termites sont à peu près égales en taille et que le paysage est homogène.

"De nombreux insectes sociaux ont tendance à être territoriaux et les colonies se battent souvent à mort, " dit Tarnita. " Quand un monticule naissant apparaît dans un territoire existant, les termites établis finissent par le trouver et le détruire. Heures supplémentaires, les grandes colonies effacent les plus petites. Mais les grandes colonies finissent par coexister dans une guerre frontalière perpétuelle sans qu'aucune ne gagne du terrain."

Les formations en nid d'abeilles assurent une répartition optimale de l'espace entre les différentes colonies, dit Tarnita. "Finalement, vous vous retrouvez avec des colonies de tailles très similaires qui sont aussi éloignées les unes des autres que possible, tout en ne laissant aucun espace inoccupé."

Tarnita a expliqué que de nombreux modèles à travers le monde - des territoires de poissons à l'agencement spatial des nids d'oiseaux - résultent probablement d'une agression territoriale. "Souvent, ces modèles sont difficiles à voir. Ce qui rend les insectes sociaux et autres animaux fouisseurs uniques, c'est que leurs nids créent un indice visible de l'endroit où se trouvent leurs territoires, " dit Tarnita.

"L'un de nos objectifs dans ce travail était de comprendre comment les modèles de végétation peuvent se former à partir de la compétition territoriale pour les ressources entre les colonies d'insectes sociaux, mais le modèle pourrait s'appliquer très largement pour caractériser les schémas spatiaux chez d'autres animaux territoriaux, " elle a dit.

« Cercles de fées » et une autre partie de l'histoire du modèle

Modèles de végétation à grande échelle, cependant, ne sont pas toujours toute l'histoire. Un processus biologique différent prédomine dans les espaces entre les nids d'insectes. Là, les plantes s'organisent selon un principe connu sous le nom de "rétroaction dépendant de l'échelle".

Les chercheurs ont testé ce cadre sur des cercles de fées namibiens - des plaques rondes de sable du désert, 2 à 35 mètres (6,5 à 114 pieds) de diamètre, entouré d'anneaux d'herbes hautes. Nommé pour la croyance populaire dans leur origine surnaturelle, les cercles de fées sont devenus le centre improbable d'une controverse scientifique après que des recherches en 2013 aient suggéré que les termites créent les zones dénudées en attaquant les plantes. Ce document a déclenché une série de publications affirmant que les cercles étaient plutôt nés de l'auto-organisation des plantes.

Les La nature étude montre que ces deux mécanismes ne s'excluent pas mutuellement, et que les deux peuvent opérer dans les déserts de Namibie. Les chercheurs ont adapté leurs modèles pour inclure l'effet des termites enlevant les plantes pour créer les disques nus. Cette action augmente la teneur en humidité du sol à l'intérieur des cercles, permettant aux plantes environnantes de prospérer et de produire les grands anneaux d'herbe caractéristiques. Pendant ce temps, la disposition hexagonale de cercles et d'anneaux d'herbe à l'échelle du paysage émerge de la force répulsive de la guerre territoriale entre les colonies de termites voisines.

Dans des conditions environnementales difficiles, les plantes profitent souvent à leurs voisins immédiats en fournissant un minimum d'ombre et en concentrant l'humidité du sol dans la zone racinaire, conduisant à la formation de petites touffes de végétation. Quand ces touffes deviennent trop grosses, la concurrence pour l'eau l'emporte sur les avantages de l'association de voisinage, ce qui conduit à des parcelles de sol nu adjacentes à chaque groupe de plantes. Le résultat net de ce processus est un modèle de parcelles de croissance végétale régulièrement espacées dans une matrice de sol nu. C'est une image miroir du motif du nid d'insectes, mais à l'échelle du centimètre au lieu du mètre et résultant d'un mécanisme biologique différent.

Les chercheurs montrent que la combinaison de ces deux processus distincts - la compétition des insectes et les rétroactions dépendantes de l'échelle des plantes - génère une description plus réaliste de la végétation désertique que l'un ou l'autre processus ne peut le faire indépendamment.

Études antérieures des cercles de fées, par exemple, n'avait pas signalé la végétation entre les cercles. Cependant, les nouvelles données des chercheurs de la Namibie montrent, comme leurs modèles théoriques l'avaient prédit, que de petites grappes de plantes régulièrement espacées s'y trouvent.

La mécanique de la nature

Co-auteur Robert Pringle, professeur adjoint d'écologie et de biologie évolutive à Princeton, a déclaré que l'étude cherche à découvrir les mécanismes de base des interactions naturelles pour aider les scientifiques à comprendre "comment fonctionne la nature et comment elle se met en place". Une telle connaissance mécaniste est importante pour les tentatives de réhabilitation des systèmes naturels endommagés par le changement climatique et la destruction de l'habitat, il a dit. Pringle et Tarnita ont exploré la prévalence mondiale d'une telle auto-organisation spatiale dans un autre article publié dans le Revue annuelle d'entomologie en janvier.

"Les modèles de notre article sont basés sur des interactions fondamentales qui se produisent entre des organismes voisins, et ceux-ci sont omniprésents, " a déclaré Pringle. " Ce type de motif régulier est répandu, et même si ce n'est pas toujours facile à voir, cela fait une énorme différence dans la façon dont les écosystèmes fonctionnent et comment ils réagissent aux changements environnementaux.

"Notre objectif tout au long de ce travail a été de contribuer à une compréhension cohérente des modèles réguliers en tant qu'ensemble de phénomènes qui surgissent à de nombreux niveaux différents dans toutes sortes de systèmes, à la fois biologique et non vivant, " a déclaré Pringle. " Les cercles de fées illustrent magnifiquement la catégorie plus large de motifs qui nous intéresse. "

Max Rietkerk, professeur de sciences de l'environnement à l'Université d'Utrecht aux Pays-Bas, a déclaré que la théorie des auteurs de la structuration spatiale est unique pour combiner des facteurs comportementaux et écologiques.

"Tome, ce qui est nouveau, c'est l'explication alternative des anneaux de fées démontrée par le modèle des termites, plus l'explication combinée des modèles multi-échelles par un modèle couplé termite-végétation, " a-t-il dit. " Ceci est important non seulement pour comprendre la structure du désert du Namib, mais potentiellement d'autres systèmes et domaines aussi en raison de la combinaison d'aspects socio-comportementaux et physico-écologiques."

Harmonie théorique

Les La nature l'article unifie les théories existantes sur la formation de motifs naturels qui étaient considérées comme concurrentes plutôt que complémentaires, a déclaré le co-auteur principal Juan Bonachela, un ancien chercheur postdoctoral de Princeton maintenant professeur adjoint d'écologie et d'évolution à l'Université de Strathclyde en Écosse.

"Il y a longtemps eu deux théories de premier plan sur la façon dont ces modèles réguliers, et surtout les cercles de fées, sont formés, et ces théories ont traditionnellement été présentées comme s'excluant mutuellement, " dit Bonachela.

"Nos résultats harmonisent les deux théories et ajoutent à l'ensemble des explications possibles des modèles de végétation réguliers observés dans le monde entier, " il a dit. Bonachela a également noté que le nouveau travail donne un aperçu de la façon dont les environnements réagissent aux perturbations. " Ce comportement affecte l'ensemble de l'écosystème, lui permettant de survivre à des conditions plus difficiles et de se remettre des sécheresses beaucoup plus rapidement que s'il n'y avait pas de termites."

La même équipe de chercheurs a rapporté dans le journal Science en 2015, que les termitières peuvent empêcher la désertification dans les savanes arides et les prairies. Les monticules stockent l'humidité et les nutriments, et les tunnels complexes des termites permettent à l'eau de mieux pénétrer le sol.

Salvatore Torquato, un professeur de chimie de Princeton et l'Institut de Princeton pour la science et la technologie des matériaux, a déclaré que les modèles végétatifs examinés par les chercheurs semblent avoir une complexité "exotique" connue sous le nom d'"hyperuniformité" trouvée dans de nombreux systèmes. Identifié pour la première fois dans un article de 2003 par Torquato et ses collègues, l'hyperuniformité fait référence à une structure à grande échelle qui résulte des interactions à longue portée de ses éléments.

"Remarquablement, les modèles de végétation rappellent certaines structures exotiques qui apparaissent dans les systèmes atomiques, médias granulaires coincés, et les cellules photoréceptrices de la rétine, " dit Torquato, qui connaît la recherche mais n'y a joué aucun rôle. » Dans ce cas, les interactions à longue distance semblent résulter de la compétition et d'autres interactions entre différentes entités - animaux, les plantes, etc. - dans l'écosystème.

"Je pense que ce travail est très perspicace et révolutionnaire, et cela ouvre la porte à une meilleure compréhension de la manière dont de multiples mécanismes interagissent à toutes les échelles pour produire des structures écosystémiques complexes, " Torquato a poursuivi. " Cet article présente de nombreuses pistes passionnantes et fascinantes pour la recherche future. "