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Les mystérieux cercles de fées expliqués par la théorie d’Alan Turing

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Image prise au drone montrant des cercles de fées australiens depuis une altitude de 40 m. Les cercles ont ici un diamètre moyen de 4 m. | S Getzin/ Université de Göttingen

Les cercles de fées représentent l’une des plus grandes énigmes de la nature. Récemment et pour la première fois, une équipe de recherche internationale dirigée par l’université de Göttingen a recueilli des données détaillées pour montrer que le modèle d’Alan Turing explique bien l’agencement de végétation frappant des cercles de fées australiens. En outre, les chercheurs ont montré que les herbes qui composent ces modèles agissent comme des « éco-ingénieurs » pour modifier leur propre environnement hostile et aride, maintenant ainsi le fonctionnement de l’écosystème.

Les cercles de fées sont de petits cercles mystérieux sans végétation, de forme arrondie ou hexagonale. Elles se trouvent dans les prairies sèches du sud-ouest de l’Afrique australe et dans le nord-ouest de l’Australie, et sont l’un des phénomènes naturels du sol les plus étonnants visuellement. Récemment, des chercheurs d’Allemagne, d’Australie et d’Israël ont entrepris une étude approfondie sur le terrain dans les régions reculées de l’Outback en Australie occidentale.

Pour mettre toutes leurs chances de leur côté de comprendre la formation de ces formes énigmatiques, ils ont utilisé les dernières technologies disponibles : drones, statistiques spatiales, cartographie de terrain en quadrature et enregistrement continu de données à partir d’une station météorologique de terrain. Avec un drone et une caméra multispectrale, les chercheurs ont notamment cartographié le « statut de vitalité » des herbes Triodia (leur force et leur croissance) sur cinq parcelles d’un hectare puis les ont classées selon la vitalité (haute et basse). Les résultats ont été publiés dans le Journal of Ecology.

Le modèle de Turing pour expliquer les formes et structures répétitives

Ce travail de terrain systématique et détaillé a permis, pour la première fois dans un tel écosystème, de tester de manière exhaustive la théorie du modèle de Turing. Le concept de Turing était que dans certains systèmes, en raison de perturbations aléatoires et d’un mécanisme de « réaction-diffusion », l’interaction entre seulement deux substances diffusibles était suffisante pour permettre l’émergence spontanée de formes fortement structurées.

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Dans le passé, les physiciens ont utilisé ce modèle pour expliquer les motifs frappants de la peau des poissons-zèbres ou des léopards. Une modélisation antérieure avait suggéré que cette théorie pourrait également s’appliquer à ces motifs de végétation intrigants. Et les chercheurs disposent actuellement de données solides à plusieurs échelles qui confirment que le modèle d’Alan Turing s’applique aux cercles de fées australiens.

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La formation active de trous de prairie presque circulaires (cercles de fées), vus depuis un hélicoptère. Lors de cette transition entre les eucalyptus et les acacias et une prairie de Triodia, les herbes de la butte s’organisent pour former des trous ronds de sol aride. Grâce à cette « ingénierie de l’écosystème », les herbes les plus vertes et les plus vitales poussent à côté du cercle de fées, tandis que les herbes grises et moins vitales plus éloignées ne peuvent pas bénéficier de la même manière de cette source d’eau supplémentaire. Crédits : S Getzin, Université de Göttingen

Un système naturel de régulation des ressources en eau

Les données montrent que le modèle unique de lacune des cercles de fées australiens, qui ne se produisent que dans une petite zone à l’est de la ville de Newman, émerge des rétroactions écohydrologiques biomasse-eau des herbes. En fait, les cercles de fées — avec leurs grands diamètres de 4 m, les croûtes d’argile dues à l’altération et le ruissellement d’eau qui en résulte — sont une source supplémentaire d’eau, essentielle pour la végétation des zones sèches. Les touffes d’herbe augmentent l’ombrage et l’infiltration d’eau autour des racines proches.

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Au fur et à mesure des années succédant des incendies, les buissons se sont de plus en plus regroupés à la périphérie des brèches de végétation pour former une barrière, afin de maximiser leur absorption d’eau provenant du ruissellement des cercles de fées. La couverture végétale protectrice des herbes pourrait réduire la température de la surface du sol d’environ 25 °C au moment le plus chaud de la journée, ce qui facilite la germination et la croissance de nouvelles herbes.

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Le Dr Stephan Getzin de l’université de Goettingen aux commandes d’un quadripôle Microdrone md4-1000, monté avec une caméra multispectrale. La caméra multispectrale a été utilisée pour cartographier la distribution de la vitalité des herbes dans le paysage. Crédits : Dr Hezi Yizhaq

Des « ingénieurs d’écosystèmes » naturels

En résumé, les scientifiques ont trouvé des preuves, tant à l’échelle du paysage qu’à des échelles beaucoup plus petites, que les herbes, avec leur dynamique de croissance coopérative, redistribuent les ressources en eau, modulent l’environnement physique et fonctionnent ainsi comme des « ingénieurs de l’écosystème » pour modifier leur propre environnement et mieux faire face aux conditions arides.

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« Ce qui est intrigant, c’est que les herbes sont en train d’aménager activement leur propre environnement en formant des modèles d’espacement symétriques. La végétation bénéficie de l’eau de ruissellement supplémentaire fournie par les grands cercles de fées, et maintient ainsi l’écosystème aride fonctionnel même dans des conditions très difficiles et sèches », explique le Dr Stephan Getzin, du département de modélisation des écosystèmes de l’université de Göttingen.

Cela contraste avec la couverture végétale uniforme que l’on observe dans les environnements moins stressés par l’eau. « Sans l’auto-organisation des herbes, cette zone deviendrait probablement désertique, dominée par un sol nu », ajoute-t-il. L’émergence d’une végétation à motifs tournoyants semble être la façon dont la nature gère un déficit ancien de pénurie d’eau permanente.

En 1952, lorsque le mathématicien britannique Alan Turing a publié son article théorique révolutionnaire sur la formation des motifs, il n’avait probablement jamais entendu parler des cercles de fées. Mais avec sa théorie, il a jeté les bases pour que des générations de physiciens puissent expliquer des motifs très symétriques comme les ondulations du sable dans les dunes, les rayures des nuages dans le ciel ou les taches sur le pelage d’un animal grâce au mécanisme de réaction-diffusion. Aujourd’hui, les écologistes ont fourni une étude empirique pour étendre ce principe de la physique aux écosystèmes des zones arides avec des cercles de fées.

Source : Journal of Ecology

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