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パターン化植生は、特徴的で反復的なパターンを示す植生群落です。パターン化植生の例には、モミの波、タイガーブッシュ、ストリングボグなどがあります。パターンは通常、植物の成長または死亡率を差別的に促進する現象の相互作用から生じます。一貫したパターンは、モミの波の場合は風、タイガーブッシュの場合は表面流出など、これらの現象に強い方向性の要素があるために生じます。パターンには、比較的均等に間隔を空けたパッチ、平行な帯、またはそれら 2 つの中間のものが含まれます。植生のこれらのパターンは、土壌の種類に基礎となるパターンがなくても現れるため、環境によって決定されるのではなく「自己組織化」されると言われています。
メカニズム
植生のパターン形成の基盤となるメカニズムのいくつかは、少なくとも20世紀半ばから知られ、研究されてきましたが[1]、それらを再現する数学モデルが作られたのはごく最近です。空間パターンの自己組織化は、空間的に均一な状態が不均一な摂動の単調な成長と増幅によって不安定になることによって生じることが多いです。[2]この種のよく知られた不安定性は、いわゆるチューリングパターンにつながります。これらのパターンは、細胞発達（最初に提案された場所）から動物の毛皮のパターン形成、砂丘やパターン化された風景（パターン形成も参照）まで、生命の多くのスケールで発生します。チューリング不安定性を捉える最も単純な形式のモデルでは、ローカルな促進とより遠くの競争という、異なるスケールでの2つの相互作用が必要です。たとえば、佐藤と岩佐[3] が日本アルプスのモミの波の単純なモデルを作ったとき、彼らは冷たい風にさらされた木は凍害で枯れるが、風上の木は近くの風下の木を風から守ると仮定しました。縞模様が現れるのは、風の最も強い木々によって作られた保護境界層が最終的に乱気流によって乱され、より遠くの風下の木々が再び凍結被害にさらされるためです。
地形全体に方向性のある資源の流れがない場合でも、降雨勾配に沿ってさまざまな規則的または不規則な空間パターンが現れることがあります。特に、降雨量が比較的多い場合は六角形の隙間パターン、降雨量が中程度の場合は縞模様、降雨量が少ない場合は六角形の斑点パターンが見られます。[4]重要な要因 (斜面を下る凍結風や地表流など) に明確な方向性がある場合、降雨量の広い範囲で流れの方向と垂直に向いた縞 (帯) が形成されやすくなります。半乾燥地帯の「タイガーブッシュ」、[5] [6]六角形の「フェアリーサークル」隙間パターン、 [7]木質草本地帯、[8]塩性湿地、[9]霧に依存する砂漠の植生、 [10] 湿原や沼地 [ 11]など、さまざまなパターンの地形を再現する数理モデルがいくつか公開されています。
厳密には植物ではないが、ムール貝やカキなどの付着性海洋無脊椎動物も縞模様を形成することが分かっている。[12]
参考文献
- ^ Watt, A (1947). 「植物群落におけるパターンとプロセス」. Journal of Ecology . 35 (1/2): 1–22. doi :10.2307/2256497. JSTOR 2256497.
- ^ Meron, E (2015). 「生態系の非線形物理学」CRC Press .
- ^佐藤 健、岩佐 勇 (1993). 「亜 高山帯モミ林における波動再生のモデル化：空間構造による個体群動態」.生態学. 74 (5): 1538–1554. doi :10.2307/1940081. JSTOR 1940081.
- ^ Meron, E (2019). 「植生パターン形成：形態の背後にあるメカニズム」. Physics Today . 72 (11): 30–36. Bibcode :2019PhT....72k..30M. doi :10.1063/PT.3.4340. S2CID 209478350.
- ^ Klausmeier, C (1999). 「半乾燥地植生の規則的および不規則なパターン」. Science . 284 (5421): 1826–1828. doi :10.1126/science.284.5421.1826. PMID 10364553.
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- ^ Getzin S, Yizhaq H, Bell B, Erickson TE, Postle AC, Katra I, Tzuk O, Zelnik YR, Wiegand K, Wiegand T, Meron E (2016). 「オーストラリアでの妖精の輪の発見は自己組織化理論を裏付ける」Proceedings of the National Academy of Sciences . 113 (13): 3551–3556. Bibcode :2016PNAS..113.3551G. doi : 10.1073/pnas.1522130113 . PMC 4822591 . PMID 26976567.
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- ^ Rietkerk M、Van De Koppel J (2008)。「実際の生態系における規則的なパターン形成」。Trends in Ecology & Evolution。23 ( 3): 169–175。doi : 10.1016 /j.tree.2007.10.013。PMID 18255188 。
- ^ Borthagaray AI、 Fuentes MA、 Marquet PA (2010)。「霧に依存する生態系における植生パターンの形成」。Journal of Theoretical Biology。265 ( 1): 18–26。Bibcode :2010JThBi.265...18B。doi :10.1016/j.jtbi.2010.04.020。PMID 20417646 。
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- ^ Van De Koppel J、Gascoigne J、Theraulaz G、Rietkerk M、Mooij W、Herman P (2008)。「ムール貝の海床生態系における空間的自己組織化とその創発的影響に関する実験的証拠」。Science。322 ( 5902 ) : 739–742。Bibcode : 2008Sci ...322..739V。doi : 10.1126/science.1163952。PMID 18974353。S2CID 2340587。