En las tradiciones populares japonesas, simbolizan las almas que parten o el amor silencioso y ardiente. Algunas culturas indígenas de los Andes peruanos los ven como ojos de fantasmas. Y en varias culturas occidentales, las luciérnagas, las luciérnagas y otros escarabajos bioluminiscentes se han relacionado con una serie deslumbrante y, en ocasiones, contradictoria de asociaciones metafóricas: "infancia, cultivo, fatalidad, duendes, miedo, cambio de hábitat, idilio, amor, suerte, mortalidad, prostitución, solsticio, estrellas y fugacidad de las palabras y la cognición”, como señaló una revisión de 2016.
Los físicos veneran a las luciérnagas por razones que pueden parecer igual de místicas: de las aproximadamente 2,200 especies esparcidas por todo el mundo, un puñado tiene la capacidad documentada de parpadear en sincronía. En Malasia y Tailandia, los manglares repletos de luciérnagas pueden parpadear al compás como si estuvieran colgados de luces navideñas; cada verano en Appalachia, ondas de concordancia espeluznante ondean a través de campos y bosques. La luz de las luciérnagas muestra a los compañeros de señuelo y a las multitudes de espectadores humanos, pero también han ayudado a desencadenar algunos de los intentos más fundamentales para explicar la sincronización, la alquimia por la cual la coordinación elaborada emerge incluso de partes individuales muy simples.
Orit Peleg recuerda cuando se encontró por primera vez con el misterio de las luciérnagas sincrónicas cuando estudiaba física e informática. Las luciérnagas se presentaron como un ejemplo de cómo los sistemas simples logran la sincronía en Dinámica no lineal y caos, un libro de texto del matemático Steven Strogatz que su clase estaba usando. Peleg nunca había visto una luciérnaga, ya que son poco comunes en Israel, donde creció.
“Es tan hermoso que de alguna manera se me quedó grabado en la cabeza durante muchos, muchos años”, dijo. Pero cuando Peleg comenzó su propio laboratorio, aplicando enfoques computacionales a la biología en la Universidad de Colorado y en el Instituto Santa Fe, había aprendido que aunque las luciérnagas habían inspirado muchas matemáticas, los datos cuantitativos que describían lo que los insectos estaban haciendo en realidad eran escaso.
Ella se dispuso a arreglar eso. En los últimos dos años, una serie de documentos del grupo de Peleg han abierto una manguera de incendios de datos del mundo real sobre la sincronía en múltiples especies de luciérnagas en múltiples sitios de estudio, y con una resolución mucho más alta que la que habían logrado los modeladores o biólogos anteriores. "Bastante asombroso" es cómo el biólogo matemático Ermentrout bardo en la Universidad de Pittsburgh describió los resultados del equipo a ¿Cuánto. “Me quedé impresionado”, dijo Andrés Moisés, biólogo de la Universidad de Connecticut.
Estos artículos establecen que los enjambres de luciérnagas reales se apartan de las idealizaciones matemáticas que revolotearon en revistas y libros de texto durante décadas. Casi todos los modelos de sincronía de luciérnagas inventados, por ejemplo, asumen que cada luciérnaga mantiene su propio metrónomo interno. Una preimpresión que el grupo de Peleg publicado en marzo, sin embargo, mostró que en al menos una especie, las luciérnagas individuales no tienen un ritmo intrínseco, y postuló que un latido colectivo emerge solo de la espeluznante sinergia de muchos luciérnagas reunidos. Un preimpresión aún más reciente, subido por primera vez en mayo y actualizado la semana pasada, documentó un tipo raro de sincronía que los matemáticos llaman un estado quimera, que tiene casi nunca se ha observado en el mundo real fuera de los experimentos artificiales.
Los biólogos de luciérnagas esperan que los nuevos métodos remodelen la ciencia y la conservación de las luciérnagas. Mientras tanto, los matemáticos que elaboran teorías de sincronía como las que Strogatz describió en su libro de texto han elaborado modelos durante mucho tiempo sin mucha retroalimentación experimental de sincronizadores desordenados del mundo real. “Ese es el gran avance”, dijo Strogatz, profesor de matemáticas en la Universidad de Cornell. “Ahora podemos comenzar a cerrar el ciclo”.
La esquiva prueba de la sincronía
Los informes de luciérnagas que se encienden al unísono en el sudeste asiático se filtraron al discurso científico occidental durante siglos. Miles de luciérnagas, llamadas kelip-kelip en Malasia, su nombre es una especie de onomatopeya visual para su centelleo, puede posarse en los árboles de la orilla del río. “Su luz resplandece y se extingue por una simpatía común”, un diplomático británico de gira por Tailandia escribió en 1857. “En un momento, cada hoja y rama aparece decorada con fuego como un diamante”.
No todos aceptaron estos informes. “Que algo así ocurra entre los insectos es ciertamente contrario a todas las leyes naturales”, una carta a la revista. Ciencia: se quejó en 1917, argumentando que el efecto aparente fue causado por el parpadeo involuntario del espectador. Sin embargo, en la década de 1960, investigadores visitantes de luciérnagas confirmaron a través de análisis cuantitativos lo que los barqueros locales en los manglares sabían desde hace mucho tiempo.
Un escenario similar se desarrolló en la década de 1990, cuando un naturalista de Tennessee llamado lynn fausto lea la confiada afirmación publicada de un científico llamado jon copeland que no había luciérnagas sincrónicas en América del Norte. Faust supo entonces que lo que había estado observando durante décadas en los bosques cercanos era algo extraordinario.
Faust invitó a Copeland y Moiseff, su colaborador, a ver una especie en las Grandes Montañas Humeantes llamada Photinus carolinus. Las nubes de las luciérnagas macho llenan bosques y claros, flotando aproximadamente a la altura humana. En lugar de parpadear en estrecha coordinación, estas luciérnagas emiten una ráfaga de destellos rápidos en unos pocos segundos, luego se quedan en silencio varias veces antes de perder otra ráfaga. (Imagínese una multitud de paparazzi esperando que las celebridades aparezcan a intervalos regulares, tomando una serie de fotos en cada aparición y luego jugando con los pulgares en el tiempo de inactividad).
Los experimentos de Copeland y Moiseff mostraron que los p.carolinus las luciérnagas realmente intentaron parpadear al ritmo de una luciérnaga vecina, o un LED parpadeante, en un frasco cercano. El equipo también instaló cámaras de video de alta sensibilidad en los bordes de los campos y claros de los bosques para registrar los destellos. Copeland revisó el metraje cuadro por cuadro, contando cuántas luciérnagas estaban iluminadas en cada momento. El análisis estadístico de estos datos cuidadosamente recopilados demostró que todas las luciérnagas dentro de la vista de las cámaras en una escena realmente emitieron ráfagas de destellos a intervalos regulares y correlacionados.
Dos décadas después, cuando Peleg y su posdoctorado, la física Rafael Sarfati, se dispuso a recopilar datos de luciérnagas, había mejor tecnología disponible. Diseñaron un sistema de dos cámaras GoPro colocadas a unos pocos pies de distancia. Debido a que las cámaras tomaron videos de 360 grados, pudieron capturar la dinámica de un enjambre de luciérnagas desde adentro, no solo desde el costado. En lugar de contar los destellos a mano, Sarfati ideó algoritmos de procesamiento que podían triangular los destellos de luciérnagas captados por ambas cámaras y luego registrar no solo cuándo ocurrió cada destello, sino también dónde ocurrió en el espacio tridimensional.
Sarfati introdujo por primera vez este sistema en Tennessee en junio de 2019 para la p.carolinus luciérnagas que Fausto había hecho famosas. Era la primera vez que veía el espectáculo con sus propios ojos. Se había imaginado algo así como las escenas apretadas de sincronía de luciérnagas de Asia, pero las ráfagas de Tennessee eran más desordenadas, con ráfagas de hasta ocho destellos rápidos durante unos cuatro segundos repetidos aproximadamente cada 12 segundos. Sin embargo, ese desorden era emocionante: como físico, sintió que un sistema con fluctuaciones salvajes podría resultar mucho más informativo que uno que se comportara perfectamente. “Fue complejo, confuso en cierto sentido, pero también hermoso”, dijo.
Intermitentes aleatorios pero comprensivos
En su experiencia de estudiante con luciérnagas sincronizadas, Peleg aprendió por primera vez a entenderlas a través de un modelo propuesto por el físico japonés. yoshiki kuramoto. Este es el modelo ur de la sincronía, el abuelo de los esquemas matemáticos que explican cómo puede surgir la sincronía, a menudo inexorablemente, en cualquier cosa, desde grupos de células marcapasos en el corazón humano hasta corrientes alternas.
En su forma más básica, los modelos de sistemas síncronos necesitan describir dos procesos. Uno es la dinámica interna de un individuo aislado, en este caso una luciérnaga solitaria en un frasco, gobernada por una regla fisiológica o de comportamiento que determina cuándo parpadea. El segundo es lo que los matemáticos llaman acoplamiento, la forma en que el destello de una luciérnaga influye en sus vecinas. Con combinaciones fortuitas de estas dos partes, una cacofonía de diferentes agentes puede convertirse rápidamente en un coro ordenado.
En una descripción al estilo Kuramoto, cada luciérnaga individual se trata como un oscilador con un ritmo preferido intrínseco. Imagínese las luciérnagas como si tuvieran un péndulo oculto que se balancea constantemente dentro de ellas; imagine que un insecto parpadea cada vez que su péndulo pasa por la parte inferior de su arco. Supongamos también que ver un destello cercano tira del péndulo de una luciérnaga que marca el paso un poco hacia adelante o hacia atrás. Incluso si las luciérnagas comienzan sin sincronizarse entre sí, o si sus ritmos internos preferidos varían individualmente, un colectivo regido por estas reglas a menudo convergerá en un patrón de destellos coordinado.
A lo largo de los años han surgido varias variaciones de este esquema general, cada una modificando las reglas de la dinámica interna y el acoplamiento. En 1990, Strogatz y su colega Rennie Mirollo de Boston College demostró que un conjunto muy simple de osciladores similares a luciérnagas casi siempre se sincronizarían si los interconectara, sin importar cuántas personas incluyera. Al año siguiente, Ermentrout describió cómo grupos de Pteroptyx malaccae las luciérnagas en el sudeste asiático podrían sincronizarse acelerando o ralentizando sus frecuencias internas. Recientemente, en 2018, un grupo liderado por Gonzalo Marcelo Ramírez Ávila de la Universidad Superior de San Andrés en Bolivia ideó un esquema más complicado en el que las luciérnagas alternaban entre un estado de "carga" y un estado de "descarga" durante el cual parpadeaban.
Pero cuando las cámaras de Peleg y Sarfati comenzaron a capturar datos tridimensionales de la explosión y espera Photinus carolinus luciérnagas en Great Smokies en 2019, sus análisis revelaron nuevos patrones.
Uno fue la confirmación de algo que Faust y otros naturalistas de las luciérnagas habían informado durante mucho tiempo: una ráfaga de destellos a menudo comenzaba en un lugar y luego caía en cascada a través del bosque a aproximadamente medio metro por segundo. Las ondas contagiosas sugirieron que el acoplamiento de las luciérnagas no era ni global (con todo el enjambre conectado) ni puramente local (con cada luciérnaga preocupándose solo por los vecinos cercanos). En cambio, las luciérnagas parecían prestar atención a otras luciérnagas en una combinación de escalas de distancia. Esto podría deberse a que las luciérnagas solo pueden ver destellos que ocurren dentro de una línea de visión ininterrumpida, dijo Sarfati; en los bosques, la vegetación a menudo se interpone en el camino.
Las luciérnagas reales también parecen burlarse de la premisa central de los modelos con sabor a Kuramoto, que tratan a cada individuo como periódico. Cuando Peleg y Sarfati lanzaron un sencillo p.carolinus luciérnaga en una tienda de campaña, emitía ráfagas de destellos al azar en lugar de seguir un ritmo estricto. A veces esperaba solo unos segundos, otras veces unos minutos. “Eso ya te saca del universo de todos los modelos existentes”, dijo Strogatz.
Pero una vez que el equipo arrojó 15 o más luciérnagas, toda la tienda se iluminó con ráfagas de destello colectivas separadas por una docena de segundos. La sincronía y la periodicidad del grupo eran productos puramente emergentes de las luciérnagas que pasaban el rato juntas. En un borrador subido al servidor de preprint biorxiv.org la primavera pasada, el grupo Peleg, trabajando con el físico Srividya Iyer-Biswas de la Universidad de Purdue y el Instituto Santa Fe, sugirió un nuevo modelo de cómo podría suceder esto.
Imagine una luciérnaga aislada que acaba de emitir una ráfaga de destellos y considere las siguientes reglas. Si lo secuestra ahora, esperará un intervalo aleatorio antes de volver a parpadear. Sin embargo, existe un tiempo mínimo de espera que el insecto necesita para recargar sus órganos de luz. Esta luciérnaga también es susceptible a la presión de los compañeros: si ve que otra luciérnaga comienza a parpadear, también lo hará, siempre que pueda físicamente.
Ahora imagina un campo completo de luciérnagas en la tranquila oscuridad inmediatamente después de un estallido. Cada uno elige un tiempo de espera aleatorio más largo que el período de carga. Sin embargo, quien destella primero, inspira a todos los demás a saltar de inmediato. Todo este proceso se repite cada vez que el campo se oscurece. A medida que aumenta el número de luciérnagas, es cada vez más probable que al menos una elija al azar volver a parpadear tan pronto como sea biológicamente posible, y eso desencadenará el resto. Como resultado, el tiempo entre ráfagas se acorta hacia el tiempo mínimo de espera. Cualquier científico que se quede boquiabierto ante esta escena verá lo que parece un ritmo constante de grupo de luz que se desplaza hacia la oscuridad, y luego la oscuridad estalla con luz.
A segunda preimpresión del grupo Peleg descubrió otro patrón exótico. En el Parque Nacional Congaree en Carolina del Sur, Peleg notó algo extraño cuando su equipo entrenó su equipo en la sincronización de la luciérnaga. Foturis frontalis. “Recuerdo haber visto por el rabillo del ojo que hay una pequeña luciérnaga que realmente no está al ritmo. Pero sigue siendo puntual”, dijo.
El análisis del equipo mostró que mientras un coro principal de luciérnagas brillaba al ritmo, los testarudos atípicos se negaban a seguirle el juego. Compartían el mismo espacio y brillaban con su propio período, pero estaban desfasados con la sinfonía circundante. A veces, los valores atípicos parecían sincronizarse entre sí; a veces simplemente parpadeaban de forma asíncrona. El grupo de Peleg describe esto como un estado de quimera, una forma de sincronía observada por primera vez por Kuramoto en 2001 y explorada por Strogatz y el matemático. daniel abrams de la Universidad Northwestern en 2004 en una forma idealizada matemáticamente. Algunos informes de neurocientíficos afirma haber visto este tipo de sincronía quimérica en la actividad de las células cerebrales bajo ciertas condiciones experimentales, pero por lo demás no se ha observado en la naturaleza hasta ahora.
Todavía no está claro por qué la naturaleza favorecería la evolución de este estado de sincronización heterogéneo en lugar de uno más uniforme. Pero incluso la sincronía básica siempre ha planteado un misterio evolutivo: ¿cómo ayuda la mezcla a cualquier macho individual a destacarse ante una posible pareja? Peleg sugirió que los estudios que analizan los patrones de comportamiento de las luciérnagas hembras y no solo de los machos podrían ser informativos. Su grupo ha comenzado a hacer eso con el p.carolinus luciérnagas pero aún no con las quimeras propensas P. frontalis especies.
Ciencias de la computación Lightning-Bug
Para los modeladores, ahora ha comenzado la carrera para encapsular los patrones de luciérnagas observados en marcos nuevos y mejorados. Ermentrout tiene un artículo bajo revisión que ofrece una descripción matemática diferente de Photinus carolinus: Suponga que en lugar de esperar una cantidad de tiempo puramente aleatoria más allá del mínimo obligatorio para recargar, los errores son solo osciladores ruidosos e irregulares. Las luciérnagas podrían comenzar a actuar como luces intermitentes perfectamente periódicas solo cuando se juntan. En simulaciones por computadora, este modelo también coincide con los datos del grupo Peleg. “Aunque no lo programamos, surgen cosas como las olas”, dijo Ermentrout.
El económico sistema de cámara y algoritmo de Peleg y Sarfati puede ser de gran ayuda para avanzar y democratizar la investigación de las luciérnagas, dicen los biólogos. Las luciérnagas son difíciles de estudiar en la naturaleza porque diferenciar las especies por sus destellos es difícil para todos, excepto para los investigadores más dedicados y los aficionados incondicionales. Esto hace que medir el rango y la abundancia de las poblaciones de luciérnagas sea un desafío, incluso cuando aumenta el temor de que muchas especies de luciérnagas estén en vías de extinción. La nueva configuración puede facilitar la recopilación, el análisis y el intercambio de datos de destellos de luciérnagas.
En 2021, Sarfati usó el sistema para confirmar un informe de Arizona de que las especies locales Fotino knulli puede sincronizar cuando suficientes luciérnagas se reúnen. Este año, el laboratorio de Peleg envió 10 copias del sistema de cámara a investigadores de luciérnagas de todo Estados Unidos. Ahora están recopilando datos de los espectáculos de luces producidos el verano pasado por ocho especies. Con miras a impulsar los esfuerzos de conservación, un grupo de investigadores de aprendizaje automático dentro del laboratorio de Peleg está tratando de entrenar un algoritmo para identificar especies a partir de los patrones de destello en las imágenes grabadas.
Los modelos caricaturescos de luciérnagas inspiraron la teoría matemática durante décadas; Peleg espera que las verdades más matizadas que emergen ahora tengan una consecuencia similar.
Moiseff comparte esa esperanza. Las luciérnagas “han estado haciendo informática mucho antes de que existiéramos”, dijo. Aprender cómo se sincronizan podría conducir a una mejor comprensión de los comportamientos de autoorganización en otros seres vivos también.
Nota del editor: Steven Strogatz es el presentador de ¿Cuánto, Alegría del porqué podcast y miembro de ¿Cuántoconsejo asesor.
