I japanske folketraditioner symboliserer de afgående sjæle eller tavs, brændende kærlighed. Nogle oprindelige kulturer i de peruvianske Andesbjerge ser dem som spøgelsers øjne. Og på tværs af forskellige vestlige kulturer er ildfluer, glødeorme og andre selvlysende biller blevet forbundet med en blændende og til tider modstridende række af metaforiske associationer: "barndom, afgrøde, undergang, alfer, frygt, habitatændring, idyl, kærlighed, held, dødelighed, prostitution, solhverv, stjerner og flygtigheden af ord og erkendelse,” som en anmeldelse fra 2016 bemærkede.
Fysikere ærer ildfluer af årsager, der kan virke lige så mystiske: Af de omkring 2,200 arter, der er spredt rundt i verden, har en håndfuld den dokumenterede evne til at blinke synkront. I Malaysia og Thailand kan ildfluebesatte mangrovetræer blinke i takt, som om de var spændt op med julelys; hver sommer i Appalachia bølger bølger af uhyggelig konkordans hen over marker og skove. Ildfluernes lys viser lokkekammerater og skarer af menneskelige sightseere, men de har også været med til at sætte gang i nogle af de mest fundamentale forsøg på at forklare synkronisering, den alkymi, hvorved udførlig koordination opstår fra selv meget simple individuelle dele.
Orit Peleg husker, da hun første gang stødte på mysteriet med synkrone ildfluer, da hun studerede fysik og datalogi. Ildfluerne blev præsenteret som et eksempel på, hvordan simple systemer opnår synkronisering i Ikke-lineær dynamik og kaos, en lærebog af matematikeren Steven Strogatz som hendes klasse brugte. Peleg havde aldrig selv set en ildflue, da de er ualmindelige i Israel, hvor hun voksede op.
"Det er bare så smukt, at det på en eller anden måde har siddet fast i mit hoved i mange, mange år," sagde hun. Men da Peleg startede sit eget laboratorium, hvor hun anvendte beregningsmæssige tilgange til biologi ved University of Colorado og ved Santa Fe Institute, havde hun erfaret, at selvom ildfluer havde inspireret en masse matematik, var kvantitative data, der beskrev, hvad insekterne faktisk lavede. ringe.
Hun satte sig for at ordne det. I de sidste to år har en række artikler fra Pelegs gruppe åbnet en brandslange med data fra den virkelige verden om synkronisering i flere ildfluearter på flere undersøgelsessteder og med en meget højere opløsning end tidligere modelbyggere eller biologer havde formået. "Temmelig forbløffende" er, hvordan den matematiske biolog Bard Ermentrout ved University of Pittsburgh beskrev holdets resultater til Quanta. "Jeg blev blæst bagover," sagde Andrew Moiseff, en biolog ved University of Connecticut.
Disse papirer fastslår, at ægte ildfluesværme afviger fra de matematiske idealiseringer, der har fløjet gennem tidsskrifter og lærebøger i årtier. Næsten hver eneste model for ildfluesynkronisering, der nogensinde er lavet, antager for eksempel, at hver ildflue bevarer sin egen interne metronom. Et fortryk, som Pelegs gruppe udsendt i marts, viste imidlertid, at i mindst én art har individuelle ildfluer ingen iboende rytme, og den hævdede, at et kollektivt beat kun opstår fra den uhyggelige synergi af mange lynbugs samlet sammen. An endnu nyere fortryk, først uploadet i maj og opdateret i sidste uge, dokumenterede en sjælden type synkronisering at matematikere kalder en kimærtilstand, som har næsten aldrig blevet observeret i den virkelige verden uden for konstruerede eksperimenter.
Ildfluebiologer håber, at de nye metoder vil omforme videnskaben og bevarelsen af ildfluer. Matematikere, der fremskynder teorier om synkroni, som dem, Strogatz beskrev i sin lærebog, har i mellemtiden længe udvundet modeller uden megen eksperimentel feedback fra rodede synkroniseringsapparater i den virkelige verden. "Det er det store gennembrud," sagde Strogatz, professor i matematik ved Cornell University. "Nu kan vi begynde at lukke løkken."
Det undvigende bevis på synkroni
Rapporter om ildfluer, der blusser i kor i Sydøstasien, filtrede tilbage til vestlig videnskabelig diskurs i århundreder. Tusindvis af ildfluer, kaldt kelip-kelip i Malaysia - deres navn er en slags visuel onomatopoeia for deres blinkende - kan slå sig ned på træer langs floden. "Deres lys flammer og slukkes af en fælles sympati," en britisk diplomat på turné i Thailand skrev i 1857. "På et øjeblik ser hvert blad og hver gren ud dekoreret med diamantlignende ild."
Ikke alle accepterede disse rapporter. "At sådan noget forekommer blandt insekter er bestemt i strid med alle naturlove," et brev til bladet Videnskab klagede i 1917 og hævdede, at den tilsyneladende effekt i stedet var forårsaget af seerens ufrivillige blink. Alligevel bekræftede besøgende ildflueforskere i 1960'erne gennem kvantitativ analyse, hvad lokale bådsmænd i mangrovesumpe længe havde vidst.
Et lignende scenarie udspillede sig i 1990'erne, da en naturforsker fra Tennessee navngav Lynn Faust læs den selvsikre offentliggjorte påstand fra en navngiven videnskabsmand Jon Copeland at der ikke var nogen synkrone ildfluer i Nordamerika. Faust vidste dengang, at det, hun havde set i årtier i de nærliggende skove, var noget bemærkelsesværdigt.
Faust inviterede Copeland og Moiseff, hans samarbejdspartner, til at se en art i Great Smoky Mountains kaldet Photinus carolinus. Skyer af de mandlige ildfluer fylder skove og lysninger, og de flyder omkring menneskelig højde. I stedet for at blinke i stram koordination, udsender disse ildfluer en byge af hurtige glimt inden for et par sekunder, hvorefter de bliver stille flere gange så længe, før de mister endnu et udbrud. (Forestil dig en flok paparazzier, der venter på, at berømtheder dukker op med jævne mellemrum, knipser en salve af billeder ved hver optræden og derefter vrir tommelfingrene i nedetiden.)
Copeland og Moiseffs eksperimenter viste det isoleret P. carolinus ildfluer forsøgte virkelig at blinke på beat med en naboildflue - eller en blinkende LED - i en nærliggende krukke. Holdet satte også højfølsomme videokameraer op i kanten af marker og skovlysninger for at optage blink. Copeland gennemgik optagelserne billede for billede og talte, hvor mange ildfluer, der blev oplyst i hvert øjeblik. Statistisk analyse af disse omhyggeligt indsamlede data beviste, at alle ildfluerne inden for kameraernes syn på en scene virkelig udsender flashudbrud med jævne, korrelerede intervaller.
To årtier senere, da Peleg og hendes postdoc, fysikeren Raphaël Sarfati, satte sig for at indsamle ildfluedata, var bedre teknologi tilgængelig. De designede et system med to GoPro-kameraer placeret et par meter fra hinanden. Fordi kameraerne optog 360-graders video, kunne de fange dynamikken i en ildfluesværm indefra, ikke kun fra siden. I stedet for at tælle blitz i hånden, udtænkte Sarfati behandlingsalgoritmer, der kunne triangulere på ildflueblink fanget af begge kameraer og derefter registrere ikke kun, hvornår hvert blink skete, men hvor det fandt sted i tredimensionelt rum.
Sarfati bragte først dette system på banen i Tennessee i juni 2019 for P. carolinus ildfluer, som Faust havde gjort berømte. Det var første gang, han så skuespillet med egne øjne. Han havde forestillet sig noget i retning af de stramme scener med ildfluesynkronisering fra Asien, men Tennessee-udbruddene var mere rodede, med udbrud på op til otte hurtige blink over omkring fire sekunder, der blev gentaget cirka hvert 12. sekund. Alligevel var det rodet spændende: Som fysiker følte han, at et system med vilde udsving kunne vise sig at være langt mere informativt end et, der opførte sig perfekt. "Det var komplekst, det var forvirrende på en måde, men også smukt," sagde han.
Tilfældige, men sympatiske blink
I sin bachelor-børste med synkroniserende ildfluer lærte Peleg først at forstå dem gennem en model foreslået af den japanske fysiker Yoshiki Kuramoto. Dette er ur-modellen for synkroni, bedstefar af matematiske skemaer, der forklarer, hvordan synkroni kan opstå, ofte ubønhørligt, i alt fra grupper af pacemakerceller i menneskelige hjerter til vekselstrømme.
På deres mest basale skal modeller af synkrone systemer beskrive to processer. Den ene er den indre dynamik i et isoleret individ - i dette tilfælde en enlig ildflue i en krukke, styret af en fysiologisk eller adfærdsmæssig regel, der bestemmer, hvornår den blinker. Den anden er, hvad matematikere kalder kobling, den måde, hvorpå en ildflues glimt påvirker dens naboer. Med tilfældige kombinationer af disse to dele kan en kakofoni af forskellige agenter hurtigt trække sig ind i et pænt omkvæd.
I en Kuramoto-agtig beskrivelse behandles hver enkelt ildflue som en oscillator med en iboende foretrukken rytme. Forestil dig, at ildfluer har et skjult pendul, der svinger støt inde i dem; Forestil dig, at en bug blinker, hver gang dens pendul fejer gennem bunden af dens bue. Antag også, at det at se en naboblitz trækker en ildflues tempo-indstillingspendul en lille smule frem eller tilbage. Selvom ildfluerne starter ude af sync med hinanden, eller deres foretrukne interne rytmer varierer individuelt, vil et kollektiv styret af disse regler ofte konvergere på et koordineret flashmønster.
Adskillige variationer af denne generelle ordning er dukket op gennem årene, som hver justerer reglerne for intern dynamik og kobling. I 1990, Strogatz og hans kollega Rennie Mirollo fra Boston College beviste, at et meget simpelt sæt ildflue-lignende oscillatorer næsten altid ville synkronisere, hvis du sammenkoblede dem, uanset hvor mange individer du inkluderede. Det næste år beskrev Ermentrout, hvordan grupper af Pteroptyx malaccae ildfluer i Sydøstasien kunne synkronisere ved at fremskynde eller bremse deres interne frekvenser. Så sent som i 2018 har en gruppe ledet af Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila fra det højere universitet i San Andrés i Bolivia udtænkt en mere kompliceret ordning, hvor ildfluer skiftede frem og tilbage mellem en "opladnings"-tilstand og en "afladningstilstand", hvor de blinkede.
Men da Peleg og Sarfatis kameraer begyndte at fange tredimensionelle data fra burst-så-vent Photinus carolinus ildfluer i Great Smokies i 2019 afslørede deres analyser nye mønstre.
Den ene var bekræftelsen af noget, som Faust og andre ildfluenaturforskere længe havde rapporteret: Et udbrud af glimt ville ofte starte ét sted og derefter fosse gennem skoven med omkring en halv meter i sekundet. De smitsomme krusninger antydede, at koblingen af ildfluer hverken var global (med hele sværmen forbundet) eller rent lokal (hvor hver ildflue kun bekymrede sig om nære naboer). I stedet så ildfluerne ud til at være opmærksomme på andre ildfluer på en blanding af afstandsskalaer. Dette kan skyldes, at ildfluerne kun kan se blink, der opstår inden for en ubrudt synslinje, sagde Sarfati; i skovene kommer der ofte vegetation i vejen.
Ægte ildfluer ser også ud til at håne kerneforudsætningen for modeller med Kuramoto-smag, som behandler hvert individ som periodisk. Da Peleg og Sarfati udgav en single P. carolinus ildflue i et telt, udsendte den tilfældigt blink i stedet for at følge enhver streng rytme. Nogle gange ventede den bare et par sekunder, andre gange et par minutter. "Det tager dig allerede ud af universet af alle eksisterende modeller," sagde Strogatz.
Men da holdet dumpede 15 eller flere ildfluer ind, lyste hele teltet op med kollektive blitzudbrud med en afstand på omkring et dusin sekunders mellemrum. Synkronien og gruppeperiodiciteten var rent nye produkter af ildfluerne, der hang ud sammen. I et kladdepapir uploadet til biorxiv.org preprint-serveren sidste forår, Peleg-gruppen, der arbejdede med fysikeren Srividya Iyer-Biswas fra Purdue University og Santa Fe Institute, foreslog en helt ny model for, hvordan dette kunne ske.
Forestil dig en isoleret ildflue, der lige har udsendt en byge af blink, og overvej følgende regler. Hvis du sekvestrerer det nu, vil det vente et tilfældigt interval, før det blinker igen. Der er dog en minimumsventetid, som insektet har brug for for at genoplade sine lysorganer. Denne ildflue er også modtagelig for gruppepres: Hvis den ser en anden ildflue begynde at blinke, vil den også blinke, så længe den fysisk kan.
Forestil dig nu et helt felt af ildfluer i det stille mørke umiddelbart efter et udbrud. Hver enkelt vælger en tilfældig ventetid, der er længere end opladningsperioden. Den, der blinker først, inspirerer dog alle de andre til at springe i med det samme. Hele denne proces gentages hver gang feltet bliver mørkt. Efterhånden som antallet af ildfluer stiger, bliver det mere og mere sandsynligt, at mindst én tilfældigt vælger at blinke igen, så snart det er biologisk muligt, og det vil udløse resten. Som følge heraf forkortes tiden mellem udbrud i retning af minimum ventetid. Enhver videnskabsmand, der stirrer på denne scene, vil se, hvad der ligner en stabil gruppe-rytme af lys, der ruller ind i mørke, og derefter mørke, der bryder ud med lys.
A andet fortryk fra Peleg-gruppen afslørede et andet eksotisk mønster. I Congaree National Park i South Carolina bemærkede Peleg noget mærkeligt, da hendes hold trænede deres udstyr på den synkroniserende ildflue Phototuris frontalis. “Jeg kan huske, at jeg så ud af øjenkrogen, at der er denne lille ildflue, der virkelig ikke er på beat. Men han er stadig punktlig,” sagde hun.
Holdets analyse viste, at mens et hovedkor af ildfluerne blinkede i rytme, nægtede stædige outliers at spille med. De delte det samme rum og blinkede med deres egen periode, men de var ude af fase med den omgivende symfoni. Nogle gange syntes afvigerne at synkronisere med hinanden; nogle gange blinkede de bare asynkront. Pelegs gruppe beskriver dette som en kimærtilstand, en form for synkroni, som først blev bemærket af Kuramoto i 2001 og udforsket af Strogatz og matematikeren Daniel Abrams fra Northwestern University i 2004 i en matematisk idealiseret form. Nogle få rapporter fra neuroforskere hævder at have set denne form for kimærsynkronisering i hjernecellernes aktivitet under visse eksperimentelle forhold, men ellers er det ikke blevet observeret i naturen indtil nu.
Det er endnu ikke klart, hvorfor naturen ville favorisere udviklingen af denne hodgepodge-tilstand af synkronisering frem for en mere ensartet tilstand. Men selv grundlæggende synkronisering har altid udgjort et evolutionært mysterium: Hvordan hjælper blandingen enhver individuel mand til at skille sig ud for en potentiel partner? Peleg foreslog, at undersøgelser, der ser på kvindelige ildfluers adfærdsmønstre og ikke kun hannerne, kunne være informative. Hendes gruppe er begyndt at gøre det med P. carolinus ildfluer, men endnu ikke med kimær-tilbøjelige P. frontalis arter.
Lyn-Bug Datalogi
For modelbyggere er kapløbet nu i gang for at indkapsle de observerede ildfluemønstre i nye og forbedrede rammer. Ermentrout har et papir under revision, der giver en anden matematisk beskrivelse af Photinus carolinus: Antag, at i stedet for at vente et rent tilfældigt tidsrum ud over det obligatoriske minimum for genopladning, er fejlene bare støjende, uregelmæssige oscillatorer? Ildfluerne kan så begynde at fungere som pæne periodiske blink, når de er samlet sammen. I computersimuleringer matcher denne model også Peleg-gruppens data. "Selvom vi ikke programmerede det ind, dukker ting som bølgerne op," sagde Ermentrout.
Peleg og Sarfatis billige kamera-og-algoritme-system kan i høj grad hjælpe med at fremme - og demokratisere - forskning i ildfluer, siger biologer. Ildfluer er svære at studere i naturen, fordi det er svært for alle andre end de mest dedikerede forskere og hardcore hobbyister at skelne arter fra hinanden ved deres glimt. Dette gør måling af rækkevidden og overfloden af ildfluepopulationer udfordrende, selv mens frygten stiger for, at mange lynbugearter er på vej mod udryddelse. Den nye opsætning kan gøre det nemmere at indsamle, analysere og dele ildflue-blinkende data.
I 2021 brugte Sarfati systemet til at bekræfte en rapport fra Arizona om, at den lokale art Photinus knulli kan synkronisere, når nok af ildfluerne samles. I år sendte Pelegs laboratorium 10 kopier af kamerasystemet til ildflueforskere over hele USA. De tager nu data ind fra lysshows, der blev produceret sidste sommer af otte arter. Med et øje på at øge bevaringsindsatsen forsøger en gruppe maskinlæringsforskere i Peleg-laboratoriet at træne en algoritme til at identificere arter ud fra flashmønstrene i de optagede optagelser.
Tegneserieagtige modeller af ildfluer inspirerede matematisk teori i årtier; Peleg håber, at de mere nuancerede sandheder, der nu dukker op, vil være tilsvarende konsekvens.
Moiseff deler det håb. Ildfluer "har gjort datalogi længe før vi overhovedet eksisterede," sagde han. At lære, hvordan de synkroniserer, kan føre til en bedre forståelse af selvorganiserende adfærd i andre levende ting.
Redaktionel note: Steven Strogatz er vært for Quanta's Joy of Why podcast og medlem af Quanta's rådgivende udvalg.
