Turing-Muster erklären australische „Feenkreise“

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Luftbild australischer „Feenkreise“ mit jeweils rund 4 Metern Durchmesser und gleichmäßigen Abständen der Kreiszentren zueinander. Copyright: Stephan Getzin

Luftbild australischer „Feenkreise“ mit jeweils rund 4 Metern Durchmesser und gleichmäßigen Abständen der Kreiszentren zueinander.
Copyright: Stephan Getzin

Göttingen (Deutschland) – Ein internationales Forschungsteam hat die Muster der Vegetation der australischen „Feenkreise“ analysiert und dabei festgestellt, dass das Modell des britischen Mathematikers Alan Turing die auffälligen Vegetationsmuster erklärt. Zudem zeigt die aktuelle Studie, dass die diese Muster bildenden Gräser als „Öko-Ingenieure“ ihre eigene feindliche und trockene Umwelt verändern und dadurch das Ökosystem am Leben erhalten.

Wie das Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland, Australien und Israel um Dr. Stephan Getzin von der Universität Göttingen aktuell im „Journal of Ecology“ (DOI: 10.1111/1365-2745.13493) berichtet, haben sie im im Outback von Westaustralien mit Drohnen und Multispektralkameras untersucht, wie stark und gut die nur in Australien heimischen Triodia-Gräser – innerhalb derer sich dortigen sogenannten Feenkreise bilden – wuchsen. Dafür wurde das Gebiet in fünf, jeweils einen Hektar große, Parzellen aufgeteilt und die Gräser nach hoher und niedriger Vitalität klassifiziert. Das Team ermittelte zudem kontinuierlich Daten mit Hilfe einer lokalen Wetterstation. Die auf diesen Beobachtungen und Daten basierende systematische und detaillierte Feldarbeit ermöglichte erstmals, in einem solchen Ökosystem einen umfassenden Test der Theorie der „Turing-Muster“ durchzuführen.

Diese von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Forschung hat Auswirkungen auf die Modellierung und das Verständnis ähnlicher Ökosysteme sowie auf die Identifizierung von Systemen, die ihre fragile Umgebung zum Schutz „selbst gestalten“ können.

Hintergrund

Als „Feenkreise“ wurden ursprünglich Vegetationsmuster bezeichnet, die vornehmlich in der afrikanischen Namib-Wüste vorkommen. Die runden kahlen Flächen innerhalb von Wüstengrasflächen sind umsäumt von einem Rand deutlich stärkeren Pflanzenwuchses. Die Kreismuster (…die außer ihrer Grundform nichts mit Kornkreisen zu tun haben) ließen die Menschen schon von jeher über deren Entstehung und Herkunft rätseln.

Blick auf einige wenige der mysteriösen Feenkreise in Namibia. Copyright: Dr. Stephan Getzin/UFZ

Blick auf einige wenige der mysteriösen Feenkreise in Namibia.
Copyright: Dr. Stephan Getzin/UFZ

Waren es im Volksglauben zunächst die Götter und eben die namensgebenden Feen, die für die unzähligen Kreisgebilde in der Namib-Wüste verantwortlich gemacht wurden, galten Feenkreise in Namibia lange Zeit als rein afrikanisches Phänomen. Erst 2014 entdeckten Forscher dann Feenkreise erstmals auch außerhalb Afrikas, in der Nähe der Bergarbeiterstadt Newman in Australien (…GreWi berichtete). Trotz einer Entfernung von rund 10.000 Kilometern weisen beide Vorkommen ein identisches räumliches Muster auf, was sie zu direkten „Verwandten“ macht.

Lange Zeit galten Termiten als alleinige Erklärung für die namibischen Feenkreise. Dann jedoch zeigten Untersuchungen anderer Wissenschaftler, dass sich in vielen Feenkreisen gar keine Hinweise auf die Aktivität der Insekten finden ließen, weswegen die beteiligten Forscher Selbstorganisation der um Wasser-Ressourcen konkurrierenden Pflanzen als neue Lösung des Rätsels um die Feenkreise präsentierten (…GreWi berichtete).

Während die Theorie zur Selbstorganisation der Pflanzen zwar im theoretischen Modell erstaunlich passende Verteilungsmuster der tatsächlichen Kreise produziert und dieses Verteilungsmuster auch dem anderer Selbstgeordneter Strukturen in der Natur entspricht (…GreWi berichtete), konnte es in der Praxis noch nicht eindeutig nachgewiesen werden. Hingegen verweisen die Vertreter der Termiten-Theorie auf bereits an zahlreichen Feenkreis-Orten durch Grabungen und andere Spuren nachgewiesene Termiten-Aktivität (…GreWi berichtete 1, 2)

Das Modell von Alan Turing (1912 bis 1954) besagt, dass in bestimmten Systemen aufgrund zufälliger Störungen und eines „Reaktions-Diffusions“-Mechanismus die Interaktion zwischen nur zwei diffundierbaren Substanzen ausreicht, um spontan stark gemusterte Strukturen entstehen zu lassen. Physikerinnen und Physiker haben dieses Modell verwendet, um die auffälligen Hautmuster zum Beispiel bei Zebrafischen oder Leoparden zu erklären. Frühere Modellierungen der australischen Feenkreise hatten bereits angedeutet, dass diese Theorie auch auf diese faszinierenden Vegetationsmuster zutreffen könnte. Mit der aktuellen Studie liegen robuste Daten vor, die dies nun bestätigen.

Als der britische Mathematiker 1952 seine bahnbrechende theoretische Abhandlung über Musterbildung veröffentlichte, hatte er höchstwahrscheinlich noch nie von den Feenkreisen gehört. Doch mit seiner Theorie legte er für Generationen von Physikerinnen und Physikern die Grundlage, um hochgradig symmetrische Muster wie Sandrippeln in Dünen, Wolkenstreifen am Himmel oder Flecken auf dem Fell eines Tieres mit dem Mechanismus der Reaktions-Diffusion zu erklären. (Quelle Turing: Universität Göttingen)

Die Daten zeigen, dass das Lückenmuster der australischen Feenkreise, die nur in einem kleinen Gebiet östlich der Stadt Newman vorkommen, aus ökohydrologischen Biomasse-Wasser-Rückkopplungen der Gräser hervorgeht. Die Feenkreise, die vier Meter Durchmesser haben und über verwitterte Oberflächenkrusten verfügen, sind durch den daraus resultierenden Wasserabfluss eine entscheidende zusätzliche Wasserquelle für die Trockenlandvegetation. Die Grasbüschel sorgen zudem für mehr Schatten und ermöglichen, dass mehr Wasser in die nahegelegenen Bereiche um die Wurzeln eindringt.

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Wie die Forscherinnen und Forscher nun berichten, „verschmolzen die einzelnen Gräser mit zunehmender Wachstumszeit nach den immer wiederkehrenden Buschfeuern mehr und mehr an den Peripherien der Vegetationslücken zu einer Barriere, so dass sie ihre Wasseraufnahme aus dem Abfluss der Feenkreise maximieren konnten. Die schützende Pflanzendecke aus Gräsern kann die Boden-Oberflächentemperatur in der heißesten Tageszeit um etwa 25 Grad Celsius senken, was das Keimen und Wachsen neuer Gräser in der unmittelbaren Nachbarschaft erleichtert.“ Zudem zeigte sich, dass im großen Maßstab der Landschaft als auch in viel kleinerem Maßstab der Einzelpflanzen die Gräser die Wasserressourcen umverteilen, die physische Umwelt verändern und so als „Ökosystem-Ingenieure“ ihre Umwelt zum eigenen Vorteil anpassen.

Auch an diesem Übergang von Eukalyptus- und Akazienbäumen zu einem Triodia-Grasland ordnen sich die Stachelgräser zu runden, kahlen Lücken an, der australischen Variante sog. Feenkreise. Copyright: Stephan Getzin

Auch an diesem Übergang von Eukalyptus- und Akazienbäumen zu einem Triodia-Grasland ordnen sich die Stachelgräser zu runden, kahlen Lücken an, der australischen Variante sog. Feenkreise.
Copyright: Stephan Getzin

„Das Entscheidende ist, dass die Gräser ihre eigene Umwelt aktiv gestalten, indem sie symmetrisch angeordnete Lückenmuster bilden“, so Getzin. „Die Vegetation profitiert von dem zusätzlichen Abflusswasser, das durch die großen Feenkreise bereitgestellt wird, und hält so das trockene Ökosystem auch unter sehr unwirtlichen, trockenen Bedingungen funktionsfähig.“ Dies stehe im Gegensatz zu einer gleichmäßigen Vegetationsdecke, die in weniger wassergestressten Umgebungen zu beobachten ist. „Ohne die Selbstorganisation der Gräser würde dieses Gebiet wahrscheinlich zu einer Wüste werden, die von kahlem Boden dominiert wird.“ Das Auftauchen einer gemusterten Vegetation scheine also eine Spielart der Natur zu sein, mit permanentem Wassermangel umzugehen.




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Quellen: Universität Göttingen, eigene Rechcherchen GreWi

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