كيف تومض اليراعات في المزامنة؟ تقترح الدراسات إجابة جديدة.

في التقاليد الشعبية اليابانية ، يرمزون إلى النفوس الراحلة أو الحب الصامت المتحمّس. بعض ثقافات السكان الأصليين في جبال الأنديز البيروفية تنظر إليهم على أنهم عيون الأشباح. وعبر الثقافات الغربية المختلفة ، تم ربط اليراعات والديدان المتوهجة وغيرها من الخنافس ذات الإضاءة الحيوية بمجموعة مبهرة ومتناقضة في بعض الأحيان من الارتباطات الاستعارية: الوفيات ، والدعارة ، والانقلاب الشمسي ، والنجوم ، وزوال الكلمات والإدراك "، كما أشار أحد الاستعراضات لعام 2016.

يقدس الفيزيائيون اليراعات لأسباب قد تبدو غامضة إلى حد ما: من بين حوالي 2,200 نوع منتشرة في جميع أنحاء العالم ، تمتلك حفنة منها القدرة الموثقة على الوميض بشكل متزامن. في ماليزيا وتايلاند ، يمكن أن تومض أشجار المنغروف التي تغمرها حشرات اليراع وكأنها معلقة بأضواء عيد الميلاد. كل صيف في أبالاتشي ، تموج موجات من التوافق المخيف عبر الحقول والغابات. يُظهر ضوء اليراعات الزملاء وحشود المشاهدين من البشر ، لكنها ساعدت أيضًا في إثارة بعض المحاولات الأساسية لشرح التزامن ، الخيمياء التي ينبثق من خلالها التنسيق الدقيق من الأجزاء الفردية البسيطة جدًا.

أوريت فالج تتذكر عندما واجهت لغز اليراعات المتزامنة لأول مرة عندما كانت طالبة جامعية تدرس الفيزياء وعلوم الكمبيوتر. تم تقديم اليراعات كمثال على كيفية تحقيق الأنظمة البسيطة للتزامن في الديناميكيات اللاخطية والفوضى، كتاب مدرسي من قبل عالم الرياضيات ستيفن ستروغاتز الذي كان يستخدمه فصلها. لم تر فالج حتى يراعة ، لأنها غير شائعة في إسرائيل ، حيث نشأت.

قالت: "إنها جميلة جدًا لدرجة أنها ظلت بطريقة ما في رأسي لسنوات عديدة". ولكن بحلول الوقت الذي بدأت فيه بيليج مختبرها الخاص ، حيث طبقت مناهج حسابية على علم الأحياء في جامعة كولورادو وفي معهد سانتا في ، علمت أنه على الرغم من أن اليراعات ألهمت الكثير من الرياضيات ، إلا أن البيانات الكمية التي تصف ما تفعله الحشرات كانت في الواقع. ضئيلة.

شرعت في إصلاح ذلك. في العامين الماضيين ، فتحت سلسلة من الأوراق البحثية من مجموعة Peleg خرطوم إطفاء من بيانات العالم الحقيقي حول التزامن في أنواع متعددة من اليراع في مواقع دراسة متعددة ، وبدقة أعلى بكثير من النماذج السابقة أو علماء الأحياء الذين تمكنوا من ذلك. "مذهل جدا" كيف عالم الأحياء الرياضي بارد ارمنتروت في جامعة بيتسبرغ وصف نتائج الفريق لـ كوانتا. قال: "لقد ذهلت" أندرو مويسيف، عالم أحياء في جامعة كونيتيكت.

تثبت هذه الأوراق أن أسراب حشرة اليراع الحقيقية تحيد عن المثالية الرياضية التي كانت تتنقل عبر المجلات والكتب المدرسية لعقود. تقريبًا ، يفترض كل نموذج لمزامنة اليراع تم إعداده على الإطلاق ، على سبيل المثال ، أن كل ذبابة تحافظ على بندول السرعة الداخلي الخاص بها. نسخة أولية لمجموعة فالج نشرت في مارسومع ذلك ، فقد أظهر أنه في نوع واحد على الأقل ، ليس لدى اليراعات الفردية إيقاع جوهري ، وافترضت أن الضربة الجماعية لا تظهر إلا من التآزر المخيف للعديد من حشرات البرق التي تم جمعها معًا. ان حتى أحدث ما قبل الطباعة، تم تحميله لأول مرة في مايو وتحديثه الأسبوع الماضي ، تم توثيقه نوع نادر من التزامن أن علماء الرياضيات يسمونها حالة الوهم ، والتي لديها تقريبا لم يتم ملاحظته في العالم الحقيقي خارج التجارب المفتعلة.

يأمل علماء الأحياء في Firefly أن تعيد الأساليب الجديدة تشكيل العلم والحفاظ على اليراعات. وفي الوقت نفسه ، فإن علماء الرياضيات الذين يطرحون نظريات التزامن مثل تلك التي وصفها ستروغاتز في كتابه المدرسي ، قد نسجوا النماذج منذ فترة طويلة دون الكثير من ردود الفعل التجريبية من المزامنات الفوضوية في العالم الحقيقي. قال ستروغاتز ، أستاذ الرياضيات في جامعة كورنيل: "هذا هو الاختراق الكبير". "الآن يمكننا البدء في إغلاق الحلقة."

دليل بعيد المنال للتزامن

تقارير اليراعات المشتعلة في انسجام تام في جنوب شرق آسيا عادت إلى الخطاب العلمي الغربي لعدة قرون. الآلاف من اليراعات ، ودعا عشب البحر في ماليزيا - اسمها عبارة عن نوع من المحاكاة الصوتية المرئية لتلألئها - يمكن أن تستقر على الأشجار على ضفاف النهر. دبلوماسي بريطاني يقوم بجولة في تايلاند "يضيء ضوءهم ويطفئ بالتعاطف المشترك" كتب في 1857. "في لحظة واحدة تظهر كل ورقة وغصن مزينين بنار تشبه الماس."

لم يقبل الجميع هذه التقارير. رسالة واحدة إلى المجلة: "إن حدوث مثل هذا الشيء بين الحشرات يتعارض بالتأكيد مع جميع القوانين الطبيعية" علوم اشتكى في عام 1917 ، بحجة أن التأثير الظاهر كان بدلاً من ذلك بسبب وميض المشاهد اللاإرادي. ومع ذلك ، بحلول الستينيات من القرن الماضي ، أكد باحثو اليراع الزائرون من خلال التحليل الكمي ما كان يعرفه الملاحون المحليون في مستنقعات المنغروف منذ فترة طويلة.

حدث سيناريو مشابه في التسعينيات ، عندما تم تسمية أحد علماء الطبيعة في ولاية تينيسي لين فاوست قراءة التأكيد المنشور الواثق لعالم اسمه جون كوبلاند أنه لا توجد يراعات متزامنة في أمريكا الشمالية. عرفت فاوست حينها أن ما كانت تشاهده لعقود في الغابة المجاورة كان شيئًا رائعًا.

دعا فاوست كوبلاند ومويسيف ، مساعده ، لرؤية نوع يسمى جبال سموكي العظيمة Photinus carolinus. تملأ سحب ذكور اليراعات الغابات والأشجار ، تطفو على ارتفاع الإنسان تقريبًا. بدلاً من الوميض بتنسيق محكم ، تصدر هذه اليراعات دفعة من الومضات السريعة في غضون بضع ثوانٍ ، ثم تهدأ عدة مرات قبل أن تفقد انفجارًا آخر. (تخيل حشدًا من المصورين ينتظرون ظهور المشاهير على فترات منتظمة ، ويلتقطون مجموعة من الصور في كل ظهور ، ثم يتلاعبون بإبهامهم في فترة التوقف.)

وأظهرت تجارب كوبلاند ومويسيف أن ذلك منعزل P. كارولينوس لقد حاولت اليراعات حقًا أن تومض مع يراعة مجاورة - أو وميض LED - في جرة قريبة. كما قام الفريق بإعداد كاميرات فيديو عالية الحساسية على أطراف الحقول والغابات لتسجيل الومضات. قام كوبلاند بالاطلاع على اللقطات إطارًا تلو الآخر ، حيث قام بحساب عدد اليراعات التي أضاءت في كل لحظة. أثبت التحليل الإحصائي لهذه البيانات التي تم جمعها بشق الأنفس أن جميع اليراعات الموجودة في عرض الكاميرات في مشهد ما قد أطلقت بالفعل رشقات فلاش على فترات منتظمة ومترابطة.

بعد عقدين من الزمان ، عندما كانت بيليج وباحثة ما بعد الدكتوراة ، الفيزيائية رفائيل سرفاتي، بهدف جمع بيانات اليراع ، توفرت تكنولوجيا أفضل. لقد صمموا نظامًا من كاميرتين من GoPro تفصل بينهما بضعة أقدام. نظرًا لأن الكاميرات أخذت فيديو بزاوية 360 درجة ، فقد تمكنت من التقاط ديناميكيات سرب اليراع من الداخل ، وليس فقط من الجانب. بدلاً من عد الومضات يدويًا ، ابتكر سرفاتي خوارزميات معالجة يمكن أن تثليث ومضات اليراع التي تم التقاطها بواسطة الكاميرتين ثم تسجل ليس فقط عند حدوث كل ومضة ولكن مكان حدوثها في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

جلب Sarfati هذا النظام لأول مرة إلى الميدان في ولاية تينيسي في يونيو 2019 لـ P. كارولينوس اليراعات التي اشتهر بها فاوست. كانت المرة الأولى التي يرى فيها المشهد بأم عينيه. لقد تخيل شيئًا مثل المشاهد الضيقة لمزامنة اليراع من آسيا ، لكن انفجارات تينيسي كانت فوضوية ، مع رشقات نارية تصل إلى ثماني ومضات سريعة على مدار حوالي أربع ثوان تتكرر كل 12 ثانية تقريبًا. ومع ذلك ، كانت تلك الفوضى مثيرة: بصفته فيزيائيًا ، شعر أن نظامًا به تقلبات جامحة يمكن أن يكون أكثر إفادة بكثير من النظام الذي يتصرف بشكل مثالي. قال: "كان الأمر معقدًا ، كان محيرًا إلى حد ما ، ولكنه جميل أيضًا".

ومضات عشوائية ولكن متعاطفة

في الفرشاة الجامعية الخاصة بها مع اليراعات المتزامنة ، تعلمت بيليج أولاً فهمها من خلال نموذج اقترحه الفيزيائي الياباني يوشيكي كوراموتو. هذا هو نموذجك الخاص بالتزامن ، وهو أعظم المخططات الرياضية التي تشرح كيف يمكن أن ينشأ التزامن ، بلا هوادة في كثير من الأحيان ، في أي شيء بدءًا من مجموعات الخلايا الناظمة لضربات القلب في قلوب الإنسان إلى التيارات المتناوبة.

تحتاج نماذج الأنظمة المتزامنة في أبسط صورها إلى وصف عمليتين. إحداها هي الديناميات الداخلية لفرد منعزل - في هذه الحالة يراعة وحيدة في جرة ، تحكمها قاعدة فسيولوجية أو سلوكية تحدد متى تومض. والثاني هو ما يسميه علماء الرياضيات الاقتران ، والطريقة التي يؤثر بها وميض إحدى اليراع على جيرانها. مع مجموعات عرضية من هذين الجزأين ، يمكن لنشاز عوامل مختلفة أن يسحب نفسه بسرعة إلى جوقة أنيقة.

في وصف Kuramoto-esque ، يتم التعامل مع كل ذبابة على أنها مذبذب بإيقاع مفضل جوهري. تخيل أن اليراعات لها بندول مخفي يتأرجح بثبات داخلها ؛ تخيل وميض الخلل في كل مرة يكتسح فيها البندول قاع قوسه. افترض أيضًا أن رؤية وميض مجاور يسحب بندول ضبط سرعة اليراع للأمام أو للخلف قليلاً. حتى إذا كانت اليراعات تبدأ بشكل غير متزامن مع بعضها البعض ، أو تختلف إيقاعاتها الداخلية المفضلة بشكل فردي ، فغالبًا ما تتلاقى مجموعة تحكمها هذه القواعد على نمط فلاش منسق.

ظهرت العديد من الاختلافات في هذا المخطط العام على مر السنين ، كل منها يعدل قواعد الديناميات الداخلية والاقتران. في عام 1990 ، Strogatz وزميله ريني ميرولو أثبت من Boston College أن مجموعة بسيطة جدًا من المذبذبات التي تشبه اليراع ستتم مزامنتها دائمًا تقريبًا إذا قمت بربطها ببعضها البعض ، بغض النظر عن عدد الأفراد الذين قمت بتضمينهم. في العام التالي ، وصف Ermentrout كيف مجموعات من بتروبتكس ملاكي يمكن أن تتزامن اليراعات في جنوب شرق آسيا عن طريق تسريع أو إبطاء تردداتها الداخلية. في الآونة الأخيرة في عام 2018 ، كانت مجموعة بقيادة غونزالو مارسيلو راميريز أفيلا من جامعة سان أندريس العليا في بوليفيا ، ابتكر مخططًا أكثر تعقيدًا حيث تتحول اليراعات ذهابًا وإيابًا بين حالة "الشحن" وحالة "التفريغ" التي تومض خلالها.

ولكن عندما بدأت كاميرات Peleg و Sarfati في التقاط بيانات ثلاثية الأبعاد من الانفجار ، ثم انتظر Photinus carolinus اليراعات في Great Smokies في عام 2019 ، كشفت تحليلاتهم عن أنماط جديدة.

أحدهما كان تأكيدًا لشيء كان فاوست وغيره من علماء الطبيعة في اليراع قد أبلغوه منذ فترة طويلة: غالبًا ما تبدأ موجة من الومضات في مكان واحد ثم تتدفق عبر الغابة بسرعة حوالي نصف متر في الثانية. أشارت التموجات المعدية إلى أن اقتران اليراعات لم يكن عالميًا (مع اتصال السرب بأكمله) ولا محليًا بحتًا (حيث تهتم كل ذبابة فقط بالجيران القريبين). وبدلاً من ذلك ، بدا أن اليراعات تولي اهتمامًا ليرقات أخرى في مزيج من مقاييس المسافات. وقال سرفاتي إن هذا قد يرجع إلى أن اليراعات لا يمكنها رؤية الومضات التي تحدث إلا ضمن خط رؤية غير منقطع ؛ في الغابات ، غالبًا ما يعيق الغطاء النباتي الطريق.

يبدو أن اليراعات الحقيقية أيضًا تستهزئ بالفرضية الأساسية للنماذج بنكهة كوراموتو ، والتي تعامل كل فرد على أنه دوري. عندما أصدر فالج وصرفاتي أغنية واحدة P. كارولينوس يراعة في خيمة ، انبعثت رشقات من الومضات بشكل عشوائي بدلاً من اتباع أي إيقاع صارم. أحيانًا كان ينتظر بضع ثوانٍ ، وأحيانًا أخرى لبضع دقائق. قال ستروغاتز: "هذا يخرجك بالفعل من كون جميع النماذج الموجودة".

ولكن بمجرد إلقاء الفريق في 15 أو أكثر من اليراعات ، أضاءت الخيمة بأكملها مع رشقات فلاش جماعية متباعدة حوالي XNUMX ثانية. كان التزامن ودورية المجموعة نتاجًا ناشئًا بحتًا لليراعات المتدلية معًا. في ورقة مسودة تم تحميله إلى خادم ما قبل الطباعة biorxiv.org في الربيع الماضي ، مجموعة Peleg ، بالعمل مع الفيزيائي سريفديا آير بيسواس من جامعة بوردو ومعهد سانتا في ، نموذجًا جديدًا لكيفية حدوث ذلك.

تخيل يراعة منعزلة أطلقت لتوها موجة من الومضات ، وفكر في القواعد التالية. إذا قمت بفصله الآن ، فسوف ينتظر فترة عشوائية قبل أن تومض مرة أخرى. ومع ذلك ، هناك حد أدنى لوقت الانتظار الذي تحتاجه الحشرة لإعادة شحن أعضائها الضوئية. هذه اليراع أيضًا عرضة لضغط الأقران: إذا رأت يراعة أخرى تبدأ في الوميض ، فستومض أيضًا ، طالما أمكن ذلك جسديًا.

الآن تخيل مجالًا كاملاً من اليراعات في الظلام الهادئ بعد الانفجار مباشرة. يختار كل واحد وقت انتظار عشوائي أطول من فترة الشحن. كل من يومض أولاً ، على الرغم من ذلك ، يلهم جميع الآخرين للقفز على الفور. تتكرر هذه العملية برمتها في كل مرة يصبح فيها الحقل مظلماً. مع زيادة عدد اليراعات ، يصبح من المحتمل بشكل متزايد أن يختار واحد على الأقل بشكل عشوائي وميض مرة أخرى بمجرد أن يكون ذلك ممكنًا من الناحية البيولوجية ، وهذا سيؤدي إلى إطلاق البقية. نتيجة لذلك ، يتم تقصير الوقت بين رشقات نارية نحو الحد الأدنى من وقت الانتظار. أي علماء يحدقون في هذا المشهد سيرون ما يبدو وكأنه إيقاع مجموعة ثابت من الضوء يتدحرج في الظلام ، ثم ينفجر الظلام مع الضوء.

A ما قبل الطباعة الثانية من مجموعة Peleg اكتشف نمطًا غريبًا آخر. في حديقة Congaree National Park في ساوث كارولينا ، لاحظت Peleg شيئًا غريبًا عندما قام فريقها بتدريب معداتهم على اليراع المتزامنة. فوتوريس أمامي. "أتذكر أنني رأيت من زاوية عيني أن هناك هذه اليراع الصغيرة التي لا تنبض حقًا. قالت "لكنه لا يزال دقيقا في المواعيد".

أظهر تحليل الفريق أنه بينما تومض جوقة رئيسية من اليراعات بإيقاع ، رفضت القيم المتطرفة العنيدة اللعب على طول. كانوا يتشاركون في نفس المساحة ويومضون مع الفترة الخاصة بهم ، لكنهم كانوا خارج الطور مع السيمفونية المحيطة. في بعض الأحيان يبدو أن القيم المتطرفة تتزامن مع بعضها البعض ؛ في بعض الأحيان كانت تومض بشكل غير متزامن. تصف مجموعة بيليج هذه الحالة بأنها حالة خيالية ، وهو شكل من أشكال التزامن لاحظه كوراموتو لأول مرة في عام 2001 واستكشفه ستروغاتز وعالم الرياضيات. دانيال ابرامز حصل على درجة الدكتوراه في جامعة نورث وسترن في عام 2004 بشكل مثالي رياضيًا. قليلة تقارير من علماء الأعصاب يزعمون أنهم رأوا هذا النوع من التزامن الوهمي في نشاط خلايا الدماغ في ظل ظروف تجريبية معينة ، ولكن بخلاف ذلك لم يتم ملاحظته في الطبيعة حتى الآن.

لم يتضح بعد سبب تفضيل الطبيعة لتطور حالة التزامن هذه الخليطة بدلاً من حالة أكثر اتساقًا. ولكن حتى التزامن الأساسي كان دائمًا يطرح لغزًا تطوريًا: كيف يساعد المزج أي ذكر على التميز عن رفيق محتمل؟ اقترح فالج أن الدراسات التي تبحث في الأنماط السلوكية لإناث اليراعات وليس فقط الذكور قد تكون مفيدة. بدأت مجموعتها في فعل ذلك مع P. كارولينوس اليراعات ولكن ليس بعد مع المعرضة للوهم P. أمامي الأنواع.

علوم الكمبيوتر البرق علة

بالنسبة لمصممي النماذج ، فإن السباق الآن لتغليف أنماط اليراع المرصودة في أطر عمل جديدة ومحسنة. لدى Ermentrout ورقة قيد المراجعة تقدم وصفًا رياضيًا مختلفًا لـ Photinus carolinus: لنفترض أنه بدلاً من الانتظار لفترة زمنية عشوائية بحتة تتجاوز الحد الأدنى الإلزامي لإعادة الشحن ، فإن الأخطاء هي مجرد مذبذبات صاخبة وغير منتظمة؟ قد تبدأ اليراعات عندئذٍ في التصرف مثل ومضات دورية مرتبة فقط عند تجميعها معًا. في محاكاة الكمبيوتر ، يتطابق هذا النموذج أيضًا مع بيانات مجموعة Peleg. قال إرمنتروت: "على الرغم من أننا لم نبرمجها ، إلا أن أشياء مثل الأمواج تظهر".

يقول علماء الأحياء إن نظام الكاميرا والخوارزمية غير المكلف الذي ابتكره بيليج وسارفاتي قد يساعد بشكل كبير في تطوير - وإضفاء الطابع الديمقراطي - على أبحاث ذبابة اليراع. يصعب دراسة اليراعات في البرية لأن تمييز الأنواع عن بعضها بواسطة ومضاتها أمر صعب للجميع باستثناء الباحثين الأكثر تفانيًا والهواة المتشددين. هذا يجعل قياس مدى وفرة مجموعات اليراع تحديًا حتى في الوقت الذي تتزايد فيه المخاوف من أن العديد من أنواع حشرات البرق على طريق الانقراض. يمكن أن يسهل الإعداد الجديد جمع البيانات التي تومض اليراع وتحليلها ومشاركتها.

في عام 2021 ، استخدم سرفاتي النظام لتأكيد تقرير من ولاية أريزونا بأن الأنواع المحلية فوتينوس كنولي يمكن أن تتزامن عندما يتجمع عدد كافٍ من اليراعات معًا. أرسل مختبر بيليج هذا العام 10 نسخ من نظام الكاميرا إلى باحثي اليراع في جميع أنحاء الولايات المتحدة ، وهم الآن يأخذون البيانات من عروض الضوء التي أنتجها ثمانية أنواع في الصيف الماضي. مع التركيز على تعزيز جهود الحفظ ، تحاول مجموعة من باحثي التعلم الآلي داخل مختبر بيليج تدريب خوارزمية لتحديد الأنواع من أنماط الفلاش في اللقطات المسجلة.

استلهمت النماذج الكرتونية من اليراعات النظرية الرياضية لعقود. يأمل بيليج أن تكون الحقائق الأكثر دقة التي تظهر الآن ذات أهمية مماثلة.

يشارك Moiseff هذا الأمل. وقال إن اليراعات "كانت تقوم بعلوم الكمبيوتر بشكل جيد حتى قبل أن نوجد". يمكن أن يؤدي تعلم كيفية مزامنتها إلى فهم أفضل لسلوكيات التنظيم الذاتي في الكائنات الحية الأخرى أيضًا.

ملاحظة المحرر: ستيفن ستروغاتز هو المضيف لـ كوانتاالصورة فرحة لماذا بودكاست وعضو في كوانتاالمجلس الاستشاري لـ.