In der japanischen Volkstradition symbolisieren sie scheidende Seelen oder stille, inbrünstige Liebe. Einige indigene Kulturen in den peruanischen Anden betrachten sie als Augen von Geistern. Und in verschiedenen westlichen Kulturen wurden Glühwürmchen, Glühwürmchen und andere biolumineszierende Käfer mit einer schillernden und manchmal widersprüchlichen Reihe metaphorischer Assoziationen in Verbindung gebracht: „Kindheit, Ernte, Untergang, Elfen, Angst, Veränderung des Lebensraums, Idylle, Liebe, Glück, Sterblichkeit, Prostitution, Sonnenwende, Sterne und die Flüchtigkeit von Worten und Erkenntnis“, wie eine Rezension aus dem Jahr 2016 feststellte.
Physiker verehren Glühwürmchen aus Gründen, die genauso mystisch erscheinen mögen: Von den rund 2,200 Arten, die auf der ganzen Welt verstreut sind, haben eine Handvoll die dokumentierte Fähigkeit, synchron zu blinken. In Malaysia und Thailand können mit Glühwürmchen übersäte Mangrovenbäume im Takt blinken, als wären sie mit Weihnachtslichtern behängt; Jeden Sommer kräuseln sich in Appalachia Wellen unheimlicher Übereinstimmung über Felder und Wälder. Das Licht der Glühwürmchen zeigt Partner und Scharen menschlicher Schaulustiger an, aber sie haben auch dazu beigetragen, einige der grundlegendsten Versuche zur Erklärung der Synchronisation auszulösen, der Alchemie, durch die selbst aus sehr einfachen Einzelteilen eine ausgeklügelte Koordination entsteht.
Orit Peleg erinnert sich, als sie als Studentin in Physik und Informatik zum ersten Mal dem Mysterium der synchronen Glühwürmchen begegnete. Die Glühwürmchen wurden als Beispiel dafür vorgestellt, wie einfache Systeme Synchronität erreichen Nichtlineare Dynamik und Chaos, ein Lehrbuch des Mathematikers Steven Strogatz die ihre Klasse benutzte. Peleg hatte noch nie ein Glühwürmchen gesehen, da sie in Israel, wo sie aufwuchs, ungewöhnlich sind.
„Es ist einfach so schön, dass es irgendwie viele, viele Jahre in meinem Kopf hängen geblieben ist“, sagte sie. Aber als Peleg ihr eigenes Labor eröffnete und an der University of Colorado und am Santa Fe Institute Computeransätze auf die Biologie anwendete, hatte sie gelernt, dass Glühwürmchen zwar viele Mathematik inspiriert hatten, aber quantitative Daten, die beschreiben, was die Insekten tatsächlich taten, waren wenig.
Sie machte sich daran, das zu beheben. In den letzten zwei Jahren hat eine Reihe von Artikeln aus Pelegs Gruppe einen Feuerschlauch mit realen Daten über die Synchronität mehrerer Glühwürmchenarten an mehreren Studienstandorten geöffnet, und zwar mit einer viel höheren Auflösung, als es früheren Modellierern oder Biologen gelungen war. „Ziemlich erstaunlich“, findet der mathematische Biologe Barde Ermentrout an der University of Pittsburgh beschrieb die Ergebnisse des Teams Wie viel. „Ich war hin und weg“, sagte er Andreas Moiseff, ein Biologe an der Universität von Connecticut.
Diese Papiere belegen, dass echte Glühwürmchenschwärme von den mathematischen Idealisierungen abweichen, die jahrzehntelang durch Fachzeitschriften und Lehrbücher geflogen sind. Nahezu jedes Modell für Glühwürmchen-Synchronität, das jemals erfunden wurde, geht zum Beispiel davon aus, dass jedes Glühwürmchen sein eigenes internes Metronom unterhält. Ein Vorabdruck der Peleg-Gruppe veröffentlicht im März, zeigte jedoch, dass bei mindestens einer Art einzelne Glühwürmchen keinen intrinsischen Rhythmus haben, und postulierte, dass ein kollektiver Schlag nur aus der gespenstischen Synergie vieler versammelter Blitzkäfer entsteht. Ein noch neuerer Vorabdruck, erstmals im Mai hochgeladen und letzte Woche aktualisiert, dokumentiert a seltene Art der Synchronität dass Mathematiker einen Chimärenzustand nennen, der hat fast nie beobachtet in der realen Welt außerhalb von erfundenen Experimenten.
Glühwürmchen-Biologen hoffen, dass die neuen Methoden die Wissenschaft und den Schutz von Glühwürmchen neu gestalten werden. Mathematiker, die Synchronitätstheorien aufstellen, wie sie Strogatz in seinem Lehrbuch beschrieben hat, haben inzwischen lange Modelle ohne viel experimentelles Feedback von chaotischen Synchronisierern aus der realen Welt entwickelt. „Das ist der große Durchbruch“, sagte Strogatz, Professor für Mathematik an der Cornell University. „Jetzt können wir anfangen, den Kreis zu schließen.“
Der schwer fassbare Beweis der Synchronie
Berichte über Glühwürmchen, die gemeinsam in Südostasien aufflackerten, drangen jahrhundertelang in den westlichen wissenschaftlichen Diskurs ein. Tausende von Glühwürmchen, gerufen Kelip-Kelip in Malaysia – ihr Name ist eine Art visuelle Lautmalerei für ihr Funkeln – können sich auf Bäumen an Flussufern niederlassen. „Ihr Licht brennt und wird durch eine gemeinsame Sympathie ausgelöscht“, so ein britischer Diplomat, der Thailand bereist schrieb in 1857. „In einem Moment erscheint jedes Blatt und jeder Zweig mit diamantähnlichem Feuer geschmückt.“
Nicht alle akzeptierten diese Berichte. „Dass so etwas bei Insekten vorkommt, widerspricht sicherlich allen Naturgesetzen“, heißt es in einem Brief an die Zeitschrift Wissenschaft beschwerte sich 1917 und argumentierte, dass der scheinbare Effekt stattdessen durch das unfreiwillige Blinzeln des Betrachters verursacht wurde. Doch in den 1960er Jahren bestätigten besuchende Glühwürmchenforscher durch quantitative Analysen, was lokale Bootsfahrer in Mangrovensümpfen schon lange wussten.
Ein ähnliches Szenario spielte sich in den 1990er Jahren ab, als ein Naturforscher aus Tennessee seinen Namen gab Lyn Faust Lesen Sie die selbstbewusste veröffentlichte Behauptung eines Wissenschaftlers namens Jon Copeland dass es in Nordamerika keine synchronen Glühwürmchen gab. Da wusste Faust, dass das, was sie jahrzehntelang in den nahegelegenen Wäldern beobachtet hatte, etwas Bemerkenswertes war.
Faust lud Copeland und Moiseff, seinen Mitarbeiter, ein, eine Art in den Great Smoky Mountains namens zu sehen Photinus carolinus. Wolken der männlichen Glühwürmchen füllen Wälder und Lichtungen und schweben etwa in Menschenhöhe. Anstatt in strenger Koordination zu blinzeln, geben diese Glühwürmchen innerhalb weniger Sekunden eine Reihe schneller Blitze ab und verstummen dann mehrmals so lange, bevor sie eine weitere Reihe verlieren. (Stellen Sie sich eine Menge Paparazzi vor, die darauf warten, dass Prominente in regelmäßigen Abständen erscheinen, bei jedem Auftritt eine Salve von Fotos schießen und dann in der Freizeit Däumchen drehen.)
Die Experimente von Copeland und Moiseff zeigten dies isoliert P. carolinus Glühwürmchen haben wirklich versucht, mit einem benachbarten Glühwürmchen – oder einer blinkenden LED – in einem nahe gelegenen Glas im Takt zu blinken. Das Team hat außerdem an den Rändern von Feldern und Waldlichtungen hochempfindliche Videokameras aufgestellt, um Blitze aufzuzeichnen. Copeland ging das Filmmaterial Bild für Bild durch und zählte, wie viele Glühwürmchen in jedem Moment beleuchtet wurden. Die statistische Analyse dieser sorgfältig gesammelten Daten bewies, dass alle Glühwürmchen im Sichtfeld der Kameras an einer Szene tatsächlich Blitzstöße in regelmäßigen, korrelierten Intervallen aussendeten.
Zwei Jahrzehnte später, als Peleg und ihr Postdoc, der Physiker Raphaël Sarfati, um Glühwürmchendaten zu sammeln, war eine bessere Technologie verfügbar. Sie entwarfen ein System aus zwei GoPro-Kameras, die ein paar Meter voneinander entfernt aufgestellt waren. Da die Kameras 360-Grad-Videos aufzeichneten, konnten sie die Dynamik eines Glühwürmchenschwarms von innen einfangen, nicht nur von der Seite. Anstatt die Blitze von Hand zu zählen, entwickelte Sarfati Verarbeitungsalgorithmen, die Glühwürmchen-Blitze, die von beiden Kameras erfasst wurden, triangulieren und dann nicht nur aufzeichnen konnten, wann jedes Blinzeln stattfand, sondern auch, wo es im dreidimensionalen Raum auftrat.
Sarfati hat dieses System erstmals im Juni 2019 in Tennessee für die in Betrieb genommen P. carolinus Glühwürmchen, die Faust berühmt gemacht hatte. Es war das erste Mal, dass er das Spektakel mit eigenen Augen sah. Er hatte sich so etwas wie die engen Szenen der Glühwürmchen-Synchronität aus Asien vorgestellt, aber die Ausbrüche in Tennessee waren unordentlicher, mit Ausbrüchen von bis zu acht schnellen Blitzen über etwa vier Sekunden, die ungefähr alle 12 Sekunden wiederholt wurden. Doch diese Unordnung war aufregend: Als Physiker war er der Meinung, dass ein System mit wilden Schwankungen viel informativer sein könnte als eines, das sich perfekt verhielt. „Es war komplex, es war in gewisser Weise verwirrend, aber auch schön“, sagte er.
Zufällige, aber sympathische Flasher
Während ihres Bachelorstudiums mit synchronisierenden Glühwürmchen lernte Peleg zunächst, sie anhand eines von dem japanischen Physiker vorgeschlagenen Modells zu verstehen Yoshiki Kuramoto. Dies ist das Urmodell der Synchronität, der Urvater der mathematischen Schemata, die erklären, wie Synchronität entstehen kann, oft unaufhaltsam, in allem, von Gruppen von Schrittmacherzellen in menschlichen Herzen bis hin zu Wechselströmen.
Grundsätzlich müssen Modelle synchroner Systeme zwei Prozesse beschreiben. Die eine ist die innere Dynamik eines isolierten Individuums – in diesem Fall eines einsamen Glühwürmchens in einem Glas, das von einer physiologischen oder Verhaltensregel bestimmt wird, die bestimmt, wann es blitzt. Die zweite nennen Mathematiker Kopplung, die Art und Weise, wie der Blitz eines Glühwürmchens seine Nachbarn beeinflusst. Mit zufälligen Kombinationen dieser beiden Teile kann sich eine Kakophonie verschiedener Agenten schnell zu einem ordentlichen Refrain zusammenziehen.
In einer Kuramoto-ähnlichen Beschreibung wird jedes einzelne Glühwürmchen als Oszillator mit einem intrinsischen bevorzugten Rhythmus behandelt. Stellen Sie sich Glühwürmchen so vor, als hätten sie ein verborgenes Pendel, das stetig in ihrem Inneren schwingt; Stellen Sie sich vor, ein Käfer blitzt jedes Mal auf, wenn sein Pendel durch den unteren Rand seines Bogens fegt. Nehmen wir auch an, dass das Sehen eines benachbarten Blitzes das schrittbestimmende Pendel eines Glühwürmchens ein wenig nach vorne oder hinten reißt. Selbst wenn die Glühwürmchen nicht synchron starten oder ihre bevorzugten inneren Rhythmen individuell variieren, wird ein Kollektiv, das diesen Regeln unterliegt, oft zu einem koordinierten Blitzmuster zusammenlaufen.
Im Laufe der Jahre sind mehrere Variationen dieses allgemeinen Schemas entstanden, die jeweils die Regeln der internen Dynamik und Kopplung optimieren. 1990 Strogatz und sein Kollege Rennie Mirolo vom Boston College hat bewiesen, dass ein sehr einfacher Satz von Glühwürmchen-ähnlichen Oszillatoren fast immer synchronisieren würde, wenn man sie miteinander verbindet, egal wie viele Personen man einschließt. Im nächsten Jahr beschrieb Ermentrout, wie Gruppen von Pteroptyx malakae Glühwürmchen in Südostasien könnten sich synchronisieren, indem sie ihre internen Frequenzen beschleunigen oder verlangsamen. Erst 2018 führte eine Gruppe von Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila von der Higher University of San Andrés in Bolivien entwickelte ein komplizierteres Schema, bei dem Glühwürmchen zwischen einem „Ladezustand“ und einem „Entladezustand“ hin und her wechselten, während sie blitzten.
Aber als die Kameras von Peleg und Sarfati anfingen, dreidimensionale Daten aus dem Burst-dann-Warten zu erfassen Photinus carolinus Glühwürmchen in den Great Smokies im Jahr 2019 zeigten ihre Analysen neue Muster.
Einer war die Bestätigung von etwas, worüber Faust und andere Glühwürmchen-Naturforscher schon lange berichtet hatten: Ein Ausbruch von Blitzen begann oft an einer Stelle und kaskadierte dann mit etwa einem halben Meter pro Sekunde durch den Wald. Die ansteckenden Wellen deuteten darauf hin, dass die Kopplung von Glühwürmchen weder global (mit dem gesamten Schwarm verbunden) noch rein lokal war (wobei sich jedes Glühwürmchen nur um enge Nachbarn kümmerte). Stattdessen schienen die Glühwürmchen anderen Glühwürmchen in einer Mischung von Entfernungsskalen Aufmerksamkeit zu schenken. Dies könnte daran liegen, dass die Glühwürmchen nur Blitze sehen können, die innerhalb einer ununterbrochenen Sichtlinie auftreten, sagte Sarfati; in den wäldern stört oft die Vegetation.
Echte Glühwürmchen scheinen auch die Grundvoraussetzung von Modellen mit Kuramoto-Geschmack zu missachten, die jedes Individuum als periodisch behandeln. Als Peleg und Sarfati eine Single veröffentlichten P. carolinus Glühwürmchen in einem Zelt, sendete es willkürlich Blitze aus, anstatt einem strengen Rhythmus zu folgen. Manchmal hat es nur ein paar Sekunden gewartet, manchmal ein paar Minuten. „Damit ist man schon aus dem Universum aller existierenden Modelle raus“, sagte Strogatz.
Aber sobald das Team 15 oder mehr Glühwürmchen eingeworfen hatte, erleuchtete das gesamte Zelt mit kollektiven Blitzstößen im Abstand von etwa einem Dutzend Sekunden. Die Synchronität und die Gruppenperiodizität waren rein emergente Produkte der Glühwürmchen, die zusammen herumhingen. Im ein Entwurfspapier letzten Frühling auf den Preprint-Server biorxiv.org hochgeladen, die Peleg-Gruppe, die mit dem Physiker zusammenarbeitet Srividya Iyer-Biswas von der Purdue University und dem Santa Fe Institute, schlug ein brandneues Modell vor, wie dies geschehen könnte.
Stellen Sie sich ein isoliertes Glühwürmchen vor, das gerade einen Blitzstoß abgegeben hat, und beachten Sie die folgenden Regeln. Wenn Sie es jetzt sequestrieren, wartet es ein zufälliges Intervall, bevor es erneut blinkt. Es gibt jedoch eine Mindestwartezeit, die das Insekt benötigt, um seine Lichtorgane wieder aufzuladen. Dieses Glühwürmchen ist auch anfällig für Gruppenzwang: Wenn es sieht, dass ein anderes Glühwürmchen zu blinken beginnt, wird es auch blinken, solange es physisch möglich ist.
Stellen Sie sich jetzt ein ganzes Feld von Glühwürmchen in der stillen Dunkelheit unmittelbar nach einem Ausbruch vor. Jeder wählt eine zufällige Wartezeit, die länger als die Ladezeit ist. Wer aber zuerst blitzt, animiert alle anderen zum sofortigen Einsteigen. Dieser gesamte Vorgang wiederholt sich jedes Mal, wenn das Feld dunkel wird. Wenn die Zahl der Glühwürmchen zunimmt, wird es immer wahrscheinlicher, dass mindestens eines zufällig entscheidet, wieder zu blitzen, sobald es biologisch möglich ist, und das wird den Rest auslösen. Als Ergebnis verkürzt sich die Zeit zwischen Bursts in Richtung der minimalen Wartezeit. Jeder Wissenschaftler, der diese Szene betrachtet, wird etwas sehen, das wie ein stetiger Gruppenrhythmus von Licht aussieht, das in die Dunkelheit rollt und dann die Dunkelheit mit Licht ausbricht.
A zweiter Vordruck aus der Peleg-Gruppe entdeckte ein weiteres exotisches Muster. Im Congaree-Nationalpark in South Carolina bemerkte Peleg etwas Seltsames, als ihr Team ihre Ausrüstung auf das synchronisierende Glühwürmchen trainierte Photuris frontalis. „Ich erinnere mich, dass ich aus dem Augenwinkel gesehen habe, dass es dieses kleine Glühwürmchen gibt, das wirklich nicht im Takt ist. Aber er ist immer noch pünktlich“, sagte sie.
Die Analyse des Teams zeigte, dass, während ein Hauptchor der Glühwürmchen im Rhythmus aufblitzte, hartnäckige Ausreißer sich weigerten, mitzuspielen. Sie teilten sich den gleichen Raum und blitzten mit ihrer eigenen Periode auf, aber sie waren phasenverschoben mit der sie umgebenden Symphonie. Manchmal schienen die Ausreißer miteinander zu synchronisieren; manchmal blinkten sie nur asynchron. Pelegs Gruppe beschreibt dies als einen Chimärenzustand, eine Form der Synchronität, die erstmals 2001 von Kuramoto festgestellt und von Strogatz und dem Mathematiker erforscht wurde Daniel Abrahams der Northwestern University im Jahr 2004 in mathematisch idealisierter Form. Ein paar Berichte von Neurowissenschaftlern behaupten, diese Art von Chimären-Synchronität in der Aktivität von Gehirnzellen unter bestimmten experimentellen Bedingungen gesehen zu haben, aber ansonsten wurde sie bisher in der Natur nicht beobachtet.
Es ist noch nicht klar, warum die Natur die Entwicklung dieses Mischmasch-Zustands der Synchronisation einem einheitlicheren vorziehen würde. Aber selbst die grundlegende Synchronität hat immer ein evolutionäres Rätsel aufgeworfen: Wie hilft das Mischen jedem einzelnen Mann, sich von einem potenziellen Partner abzuheben? Peleg schlug vor, dass Studien, die sich mit den Verhaltensmustern weiblicher Glühwürmchen und nicht nur der Männchen befassen, aufschlussreich sein könnten. Ihre Gruppe hat damit begonnen, dies zu tun P. carolinus Glühwürmchen, aber noch nicht mit den Schimären S. frontalis Spezies.
Lightning-Bug-Informatik
Für Modellierer geht es nun darum, die beobachteten Glühwürmchenmuster in neuen und verbesserten Frameworks einzukapseln. Ermentrout hat ein Papier in Prüfung, das eine andere mathematische Beschreibung von bietet Photinus carolinus: Angenommen, anstatt eine rein zufällige Zeit über das obligatorische Minimum hinaus auf das Aufladen zu warten, sind die Käfer nur verrauschte, unregelmäßige Oszillatoren? Die Glühwürmchen könnten dann anfangen, sich wie ordentlich periodische Blinker zu verhalten, nur wenn sie sich versammeln. In Computersimulationen stimmt dieses Modell auch mit den Daten der Peleg-Gruppe überein. „Obwohl wir es nicht programmiert haben, tauchen Dinge wie die Wellen auf“, sagte Ermentrout.
Das kostengünstige Kamera- und Algorithmus-System von Peleg und Sarfati könnte erheblich dazu beitragen, die Glühwürmchen-Forschung voranzutreiben – und zu demokratisieren – sagen Biologen. Glühwürmchen sind in freier Wildbahn schwer zu untersuchen, da es für alle außer den engagiertesten Forschern und eingefleischten Hobbyisten schwierig ist, Arten anhand ihrer Blitze zu unterscheiden. Dies macht die Messung der Reichweite und Häufigkeit von Glühwürmchenpopulationen zu einer Herausforderung, auch wenn die Befürchtung zunimmt, dass viele Blitzkäferarten vom Aussterben bedroht sind. Das neue Setup kann das Sammeln, Analysieren und Teilen von Firefly-Flashing-Daten erleichtern.
Im Jahr 2021 nutzte Sarfati das System, um einen Bericht aus Arizona zu bestätigen, dass die lokale Art Photinus knulli kann sich synchronisieren, wenn sich genügend Glühwürmchen versammeln. In diesem Jahr schickte Pelegs Labor 10 Exemplare des Kamerasystems an Glühwürmchenforscher in den ganzen USA. Sie nehmen jetzt Daten von den Lichtshows auf, die im vergangenen Sommer von acht Arten produziert wurden. Mit Blick auf die Förderung der Naturschutzbemühungen versucht eine Gruppe von Forschern für maschinelles Lernen im Peleg-Labor, einen Algorithmus zu trainieren, um Arten anhand der Blitzmuster im aufgezeichneten Filmmaterial zu identifizieren.
Comicartige Modelle von Glühwürmchen inspirierten jahrzehntelang die mathematische Theorie; Peleg hofft, dass die nuancierteren Wahrheiten, die jetzt ans Licht kommen, ähnlich folgenreich sein werden.
Moiseff teilt diese Hoffnung. Glühwürmchen „haben sich schon lange mit Informatik beschäftigt, bevor es uns überhaupt gab“, sagte er. Zu lernen, wie sie sich synchronisieren, könnte zu einem besseren Verständnis des selbstorganisierenden Verhaltens auch bei anderen Lebewesen führen.
Anmerkung der Redaktion: Steven Strogatz ist der Gastgeber von Wie viel Freude am Warum Podcast und Mitglied bei Wie vielBeirat.
