科學人觀點

大地上的仙女圈:解謎有待科學人

兩位博士生站在烈日炎炎的沙漠中,拿著長長的釣桿攝影,果真釣出數學模式所預期的小仙女圈,科學解密,化文字和數字之虛為實,太令人感動了。

撰文/曾志朗

科學人觀點

大地上的仙女圈:解謎有待科學人

兩位博士生站在烈日炎炎的沙漠中,拿著長長的釣桿攝影,果真釣出數學模式所預期的小仙女圈,科學解密,化文字和數字之虛為實,太令人感動了。

撰文/曾志朗


我的興趣是讀書,也成了一種習慣。讀萬卷書,行萬里路,是一生行止的自我承諾。幾十年來,一直在書和路的互動中,體會世界各地人們因居住環境和族群個性不同,所展現出的多元多樣文化特性。常常走到一個陌生的城鎮,由於某本小說中讀過發生在那個城鎮的故事,腦海裡便浮顯出也許是那周邊的山景,也許是穿城而過的河流;走進城裡,街邊的咖啡小店、手作麵包坊、自釀酒館,都在書裡讀過,看來非常熟悉,連那一對坐在窗邊用餐的中年夫婦(或情侶),都像是才在那裡見過,很想過去打聲招呼,又怕太唐突,總不能對他們說:「我在小說裡見過你們喲!」


書裡蘊藏的知識是我對各地人、事、物、景產生「deja vu」的源頭,它們所帶來的那種似曾相識的感覺,真是非常美好,使我在陌生的城鎮中,不再有孤寂和落寞的恐懼。所以,我常常一卷在手,兩眼在一行又一行的文字裡跳躍移動,隨著作者的述說,神遊在世界各個角落。有了網路之後,雲端知識庫林立,無需手捧書本,就可在大小螢幕上,透過網路搜取各種資訊,不但無遠弗屆,而且影像聲音俱全,有如身歷其境。做起夢來,VR(虛擬實境)、AR(擴增實境)加上MR(混合實境),優游古今中外,做個名副其實的時空行者,真是秀才網前坐,彈指寰宇來。天上人間,多少美妙的奧秘,盡在書本(包括手機)中!


說到人世間的奧秘,不由得想起不久前在《美國國家科學院學報》讀到的一篇文章,是巴西聖保羅大學考古學和民族誌博物館一位博士後研究員的論文。她在美國念博士學位的時候,就對巴西西北部亞馬遜流域周邊所發現的圓形土方(earthwork)建築非常有興趣,因為在廣大且密不見天日的原始雨林內,竟然會出現超過450處在2000年前以人力開闢出來的空地,而地上的土方,造型類似英國2500年前所建造的巨石陣,根據出土文物,推測其功能可能也同樣用在崇天敬地的祭祀儀式。這些大地上的圈圈最早是美國和巴西兩國的科研人員以無人飛機探究亞馬遜河邊廣大原始雨林時發現的,之後因牧牛人砍伐森林,開墾土地,發現了幾百座神秘的堆土造形,但現代科技使埋藏在叢林裡2000多年的奧秘漸現端倪,帶來深遠的歷史意義。


首先,原始雨林內的人造土方打破一個歷史迷思:這大地上的圓是活生生的證據,指出亞馬遜河邊的叢林區並非歐洲人侵入南美洲後才發現和開拓的。早在2000多年前,原住民的祖先們,劈竹砍木,見天日,剷平地基,成方圓,而後處處人煙,發展出農耕的社會文明,和地球另一端英國人的祖先有異曲同工的進展!那2000多年前的農耕,又是怎麼一回事?這位博士後研究員沃特林(Jennifer Watling)真是了不起。她帶領一組研究團隊,分析圓形土方周圍內外的土壤,收集幾千年來殘留的化石、枝葉碎片、雜糧穀粒,重建此地6000年來的生態環境歷史,發現4000年前,人們焚燒竹林,清出空地,種植出多樣的五穀雜糧,土方有如「史前超級市場」!


6000年的農耕史盡在研究論文中,讓我們大開眼界,叢林裡密藏的智慧,為人類的生命帶來曙光。你能不感動嗎?我下了決心,下次若到巴西開會,非親眼去看看這些圓形土方,否則不會甘心!讀文見智,但百聞不如一見,既行萬里路,當然得看它一眼!


巴西叢林裡的圈圈是人為的土方,非洲納米比亞沙漠上的圓圈卻絕非人為的結果。這些散佈在安哥拉到南非將近2000公里沙漠上的圈圈,有大有小,而且每一個都像是印在大地上的六角蜂窩造型。很奇特,不知源自何方?當地人稱之為「仙女圈」,凸顯它們的神秘。從70年代開始,就引發許多科學家的好奇,想一窺究竟。2005年一個有趣的研究出現了,美國弗羅里達州立大學的生物學家從長達四年的衛星影像中,發現這些圈上的小樹叢有生有死,平均壽命大約41年。到底是什麼「魔力」在主導成圈和圈亡的命運?很快的,就有兩種對立的觀點提出來。德國漢堡大學的生態學者檢視仙女圈草叢,到底有哪些動物在附近活動?他們以去除法刪除不相干的生物,最後發現只有沙漠白蟻和草叢有共生現象,就下了一個結論,認為白蟻爭取水源,若單一草叢的水被吸光,就乾枯掉了,唯有集合在一起的草叢能互補水源,才得生存下來,而形成六角圓形的組合,最能保住水源,就有較高的機率維護生命。因此,螞蟻是仙女點指成圈的源頭!


「螞蟻說」聽來頭頭是道,但仔細想一想,發現螞蟻和圓形草叢共生的現象,只不過是看到相關,並沒有提出因果關係的運作機制。也許是圓形草叢的水多,吸引了螞蟻,所以螞蟻說是倒因為果了。南非開普敦大學的植物生態生理學家馬上就提出另一種看法,認為沙漠缺水,植物競爭水源,這個樹叢把根伸出到其他樹叢的土壤裡,相互偷取對方的水,搶輸的就乾枯,只有彼此連成一氣,互補才得以殘存。聽起來很有道理,因此「植物說」就變成一枝獨秀的論點了,但不管螞蟻說或植物說,都無法說明為何會形成圈圈。2014年德國萊比錫的生態學家從澳洲西部的環保人士寄來的一張相片中,看到當地的沙漠也有不為人知的仙女圈,比對非洲和澳洲的仙女圈,發現同中有異的現象,即前者土壤鬆散,後者都是硬化的泥塊,但重點都落在缺水卻必須有效存水的「水庫工程」上。他們利用資訊理論和涂林的計算模式,得出六角圓形建構是在競爭情況下自組織(self-organizing)型態中效益最高的儲水模型!


由非洲大沙漠到澳洲沙漠,都出現了仙女圈,為了解開它們形成的奧秘,引來動物學家、植物學家、生態學家和資訊計算模型科學家,從各自領域的專業觀點,試著解開仙女圈的秘密,一下子群雄並起,擂台聲響。公說公有理,婆說婆有理,互不相讓,但只能堅持己見,誰也提不出使對方一槍斃命的新證據!


2017年才開始不久,又從美國普林斯頓大學來了一個湊熱鬧的數學家。他像和事佬,既稱螞蟻說是對的,又稱植物說也沒錯,因為他用自己發展的數學模式,套上螞蟻說的變數,成功算出圈圈的形成;套上植物說的變數,也一樣可以成功算出圈圈的形成。但他又說,最好把兩個說法的變數一起加入運算,結果會更為漂亮!這樣協和的理論並沒有得到雙方的讚美,反而嗆聲連連,兩個變數當然比一個變數好,這還用說嗎?數學家不以為意,提出一個非常妙的殺手?,即兩變數合併計算會出現一些餘數,而這些餘數指出在大仙女圈之間會產生以往被忽略的小仙女圈。他派了兩位博士生到非洲沙漠,站在仙女圈的外圍,拿著長長的釣桿,不是在沙漠求魚,而是在釣桿上綁了攝影機,去尋找這些小圈圈。結果,果真拍到了許多小圈圈,是只有一個變數時不可能產生的預測。數學家,打了一場漂亮絕頂的科學戰!


雖然從網路的照片上,可以清楚看到大圈圈之間的小圈圈,可是我想像那兩位博士生站在烈日炎炎的沙漠中,拿著長長的釣桿攝影,果真釣出數學模式所預期的小仙女圈,科學解密,化文字和數字之虛為實,太令人感動了。我又下定決心,下回到非洲開會,非親自去看一眼不可,百聞仍不如一見哪!


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