Quer sejam os montes Mima, no estado de Washington, ou os famosos "círculos de fadas" da Namíbia, no sudoeste da África, as pessoas são cativadas pelos padrões regulares de crescimento das plantas que cobrem o deserto e as paisagens de pastagens, frequentemente com uma consistência hipnotizante.

Os cientistas há muito debatem como esses fenômenos se originam e persistem. Agora, uma nova teoria sugere que, em vez de uma única causa abrangente, padrões de vegetação em grande escala em ecossistemas áridos podem ocasionalmente resultar de milhões de interações locais entre plantas e animais vizinhos, de acordo com um estudo liderado pela Universidade de Princeton publicado em 19 de janeiro na revista Natureza .

Como bonecas russas, padrões de pequena escala formados por plantas em resposta à escassez de água ficam dentro de uma formação maior de bolinhas criada por ninhos de insetos sociais, como cupins e formigas. Os ninhos, por sua vez, aparecem como aglomerados circulares de vegetação ou como fendas de solo nu, dependendo de como os insetos afetam o crescimento das plantas.

Imagens de satélite de quatro continentes mostraram que os ninhos de insetos são frequentemente espaçados de forma notável, com cada ninho tendo uma média de seis vizinhos. Os pesquisadores usaram modelos matemáticos e simulações de computador para mostrar que a agressão territorial entre colônias adjacentes pode produzir esse arranjo, que leva a um hexagonal em grande escala, ou favo de mel, distribuição dos ninhos. Colônias individuais se espalham até encontrar e lutar com seus vizinhos, ocasionalmente matando colônias menores. Hora extra, isso leva a um mosaico de territórios de seis lados. Cada um dos seis lados representa a linha de frente entre uma colônia e seus inimigos ao lado.

Autora principal, Corina Tarnita, professor assistente de ecologia e biologia evolutiva em Princeton, explicou que o padrão surge quando as colônias de cupins são aproximadamente iguais em tamanho e a paisagem é homogênea.

"Muitos insetos sociais tendem a ser territoriais e as colônias costumam lutar até a morte, "Tarnita disse." Quando qualquer monte incipiente aparece em um território existente, os cupins estabelecidos eventualmente o encontram e o destroem. Hora extra, grandes colônias obliteram as menores. Mas grandes colônias acabam coexistindo em uma guerra de fronteira perpétua sem ganhar qualquer terreno. "

As formações em favo de mel fornecem a partição ideal do espaço entre as diferentes colônias, Tarnita disse. "Eventualmente, você acaba com colônias de tamanhos muito semelhantes que estão o mais distantes possível umas das outras, ao mesmo tempo, não deixando nenhum espaço desocupado. "

Tarnita explicou que muitos padrões em todo o mundo - de territórios de peixes a arranjos espaciais de ninhos de pássaros - provavelmente resultam de agressão territorial. "Muitas vezes, esses padrões são difíceis de ver. O que torna os insetos sociais e outros animais escavadores únicos é que seus ninhos criam uma pista visível de onde estão seus territórios, "Tarnita disse.

"Um dos nossos objetivos neste trabalho foi compreender como os padrões de vegetação podem se formar a partir da competição territorial por recursos entre colônias de insetos sociais, mas o modelo pode ser aplicado de forma muito ampla para caracterizar padrões espaciais em outros animais territoriais, " ela disse.

'Círculos de fadas' e outra parte da história do padrão

Padrões de vegetação em grande escala, Contudo, nem sempre são toda a história. Um processo biológico diferente predomina nos espaços entre os ninhos de insetos. Lá, as plantas se organizam de acordo com um princípio conhecido como "feedback dependente da escala".

Os pesquisadores testaram esta estrutura em círculos de fadas da Namíbia - manchas redondas de areia do deserto, 2 a 35 metros (6,5 a 114 pés) de diâmetro, rodeado por anéis de grama alta. Nomeado devido à crença popular em sua origem sobrenatural, os círculos de fadas se tornaram o foco improvável de controvérsia científica depois que pesquisas de 2013 sugeriram que os cupins criam as manchas nuas atacando plantas. Esse jornal desencadeou uma série de publicações contestando que os círculos, em vez disso, surgiram da auto-organização das fábricas.

o Natureza estudo mostra que esses dois mecanismos não são mutuamente exclusivos, e que ambos podem estar operando nos desertos da Namíbia. Os pesquisadores adaptaram seus modelos para incluir o efeito da remoção de plantas por cupins para criar os discos nus. Esta ação aumenta o teor de umidade do solo dentro dos círculos, permitindo que as plantas vizinhas prosperem e produzindo os anéis altos característicos de grama. Enquanto isso, o layout hexagonal de círculos e anéis de grama em toda a paisagem emerge da força repulsiva da guerra territorial entre as colônias de cupins vizinhas.

Em condições ambientais adversas, as plantas muitas vezes beneficiam seus vizinhos imediatos, fornecendo um mínimo de sombra e concentrando a umidade do solo na zona da raiz, levando à formação de pequenos aglomerados de vegetação. Quando esses aglomerados se tornam muito grandes, a competição pela água supera os benefícios da associação de vizinhança, o que leva a manchas de solo descoberto adjacentes a cada grupo de plantas. O resultado líquido deste processo é um padrão de manchas uniformemente espaçadas de crescimento da planta dentro de uma matriz de solo nu. É uma imagem espelhada do padrão de ninho de inseto, mas na escala de centímetros em vez de metros e surgindo de um mecanismo biológico diferente.

Os pesquisadores mostram que a combinação desses dois processos distintos - competição de inseto e feedbacks dependentes da escala da planta - gera uma descrição mais realista da vegetação do deserto do que qualquer um dos processos pode alcançar independentemente.

Estudos anteriores dos círculos de fadas, por exemplo, não havia relatado sobre a vegetação entre os círculos. Contudo, os novos dados dos pesquisadores da Namíbia mostram, como seus modelos teóricos previram, que pequenos aglomerados regularmente espaçados de plantas ocorrem lá.

A mecânica da natureza

Co-autor Robert Pringle, um professor assistente de ecologia e biologia evolutiva de Princeton, disse que o estudo busca descobrir a mecânica básica das interações naturais para ajudar os cientistas a entender "como a natureza funciona e como ela se reúne". Esse conhecimento mecanístico é importante para as tentativas de reabilitar os sistemas naturais danificados pelas mudanças climáticas e destruição do habitat, ele disse. Pringle e Tarnita exploraram a prevalência global de tal auto-organização espacial em outro artigo publicado na Revisão Anual de Entomologia em janeiro.

"Os modelos em nosso artigo são baseados em interações fundamentais que ocorrem entre organismos vizinhos, e esses são onipresentes, "Pringle disse." Este tipo de padrão regular é generalizado, e embora nem sempre seja fácil de ver, faz uma enorme diferença em como os ecossistemas funcionam e como respondem às mudanças ambientais.

"Nosso objetivo ao longo deste trabalho foi contribuir para uma compreensão coerente dos padrões regulares como um conjunto de fenômenos que surgem em muitos níveis diferentes em todos os tipos de sistemas, ambos biológicos e não vivos, "Pringle disse." Círculos de fadas exemplificam lindamente a categoria mais ampla de padrões em que estamos interessados. "

Max Rietkerk, professor de ciências ambientais na Universidade de Utrecht, na Holanda, disse que a teoria de padronização espacial dos autores é única para combinar fatores comportamentais e ecológicos.

"Para mim, o que é novo é a explicação alternativa dos anéis de fadas demonstrados pelo modelo de cupins, além da explicação combinada dos padrões multi-escala por um modelo de cupim-vegetação acoplado, "disse ele." Isto é significativo não apenas para a compreensão dos padrões do deserto do Namibe, mas potencialmente outros sistemas e campos também por causa da combinação de aspectos sócio-comportamentais e físico-ecológicos. "

Harmonia teórica

o Natureza papel unifica as teorias existentes de formação de padrão natural que foram consideradas como concorrentes em vez de complementares, disse o co-autor Juan Bonachela, um ex-pesquisador de pós-doutorado em Princeton agora um professor assistente de ecologia e evolução na Universidade de Strathclyde, na Escócia.

"Há muito tempo existem duas teorias principais sobre como esses padrões regulares, e especialmente círculos de fadas, são formados, e essas teorias têm sido tradicionalmente apresentadas como mutuamente exclusivas, "Bonachela disse.

"Nossas descobertas harmonizam ambas as teorias e adicionam ao conjunto de explicações possíveis para os padrões regulares de vegetação observados ao redor do globo, "disse ele. Bonachela também observou que o novo trabalho fornece uma visão sobre como os ambientes respondem às perturbações." Este comportamento afeta todo o ecossistema, permitindo que sobreviva a condições mais adversas e se recupere de secas muito mais rapidamente do que se não houvesse cupins. "

A mesma equipe de pesquisadores relatou na revista Ciência em 2015, os cupinzeiros podem evitar a desertificação em savanas e pastagens áridas. Os montes armazenam umidade e nutrientes, e os intrincados túneis dos cupins permitem que a água penetre melhor no solo.

Salvatore Torquato, um professor de química de Princeton e do Instituto de Ciência e Tecnologia de Materiais de Princeton, disse que os padrões vegetativos que os pesquisadores examinaram parecem ter uma complexidade "exótica" conhecida como "hiperuniformidade" encontrada em vários sistemas. Identificado pela primeira vez em um artigo de 2003 por Torquato e colegas, hiperuniformidade refere-se a uma estrutura em grande escala que surge das interações de longo alcance de seus elementos.

"Notavelmente, os padrões de vegetação são uma reminiscência de algumas estruturas exóticas que surgem em sistemas atômicos, mídia granular congestionada, e as células fotorreceptoras na retina, "disse Torquato, que está familiarizado com a pesquisa, mas não teve nenhum papel nela. "Neste caso, as interações de longo alcance parecem surgir da competição e outras interações entre diferentes entidades - animais, plantas, etc. — no ecossistema.

"Acho que este trabalho é muito esclarecedor e inovador, e abre a porta para entender melhor a maneira como vários mecanismos interagem em escalas para produzir estruturas ecossistêmicas complexas, "Torquato continuou." Este artigo apresenta muitos caminhos excitantes e fascinantes para pesquisas futuras. "