Jaapani rahvatraditsioonides sümboliseerivad nad lahkuvaid hingi või vaikset, tulihingelist armastust. Mõned Peruu Andide põlisrahvaste kultuurid peavad neid kummituste silmadeks. Ja erinevates lääne kultuurides on tulikärbseid, helendavaid usse ja muid bioluminestseeruvaid mardikaid seostatud silmipimestava ja kohati vastuoluliste metafoorsete assotsiatsioonidega: „lapsepõlv, saak, hukatus, päkapikud, hirm, elupaiga muutus, idüll, armastus, õnn, surelikkus, prostitutsioon, pööripäev, tähed ning sõnade ja tunnetuse kaduvus,” märgiti ühes 2016. aasta ülevaates.
Füüsikud austavad tulikärbseid põhjustel, mis võivad tunduda nii müstilised: umbes 2,200 liigist, mis on laiali üle maailma, on käputäiel dokumenteeritud võime sünkroonis vilkuda. Malaisias ja Tais võivad tulikärbeste mangroovipuud vilguda, nagu oleksid need jõulutuledega üles riputatud; igal suvel Appalachias lainetavad jubeda kooskõla lained üle põldude ja metsade. Tulekärbeste valguses on näha kaaslasi ja inimhulka vaatamisväärsusi, kuid need on aidanud esile kutsuda ka mõned kõige olulisemad katsed selgitada sünkroniseerimist – alkeemiat, mille abil kujuneb välja keerukas koordinatsioon isegi väga lihtsatest üksikutest osadest.
Orit Peleg mäletab, kui ta esimest korda füüsikat ja arvutiteadust õppides puutus kokku sünkroonsete tulikärbeste müsteeriumiga. Tulikärbseid esitleti näitena, kuidas lihtsad süsteemid saavutavad sünkroonsuse Mittelineaarne dünaamika ja kaos, matemaatiku õpik Steven Strogatz mida tema klass kasutas. Peleg polnud kunagi isegi tulikärbst näinud, kuna need on Iisraelis, kus ta üles kasvas, haruldased.
"See on lihtsalt nii ilus, et see jäi mulle paljudeks aastateks pähe," ütles ta. Kuid selleks ajaks, kui Peleg asutas oma labori, rakendades arvutuslikke lähenemisviise bioloogias Colorado ülikoolis ja Santa Fe Instituudis, oli ta teada saanud, et kuigi tulikärbsed olid inspireerinud palju matemaatikat, olid putukate tegelikku tegevust kirjeldavad kvantitatiivsed andmed. napp.
Ta otsustas seda parandada. Viimase kahe aasta jooksul on Pelegi grupi paberite seeria avanud tuletõrjevooliku, mis sisaldab reaalseid andmeid mitme tulekärbse liigi sünkroonsuse kohta mitmes uuringukohas ja palju suurema eraldusvõimega, kui varasematel modelleerijatel või bioloogidel õnnestus. "Päris hämmastav" ütleb matemaatiline bioloog Bard Ermentrout Pittsburghi ülikoolis kirjeldas meeskonna tulemusi Quanta. "Ma olin löödud," ütles Andrew Moiseff, Connecticuti ülikooli bioloog.
Need paberid näitavad, et tõelised tulikärbseparved erinevad aastakümneid ajakirjades ja õpikutes lehvinud matemaatilistest idealisatsioonidest. Näiteks peaaegu iga tulikärbse sünkroonimise mudel eeldab, et igal tulikärbesel on oma sisemine metronoomi. Eeltrükk, et Pelegi rühm postitatud märtsisnäitas aga, et vähemalt ühel liigil üksikutel tulikärbestel puudub sisemine rütm ja see eeldas, et kollektiivne löök tekib ainult paljude kokku kogutud välguputkade õudsest sünergiast. An veelgi värskem eeltrükk, esmakordselt üles laaditud mais ja värskendatud eelmisel nädalal, dokumenteeritud a haruldane sünkroonia tüüp mida matemaatikud nimetavad kimäärseks olekuks, millel on peaaegu kunagi täheldatud reaalses maailmas väljaspool väljamõeldud eksperimente.
Firefly bioloogid loodavad, et uued meetodid kujundavad ümber tulikärbeste teaduse ja kaitse. Matemaatikud, kes väntavad välja selliseid sünkrooniateooriaid nagu need, mida Strogatz oma õpikus kirjeldas, on vahepeal juba pikka aega välja töötanud mudeleid, ilma et oleks saanud palju eksperimentaalset tagasisidet räpane reaalmaailma sünkronisaatoritelt. "See on suur läbimurre," ütles Cornelli ülikooli matemaatikaprofessor Strogatz. "Nüüd saame hakata ahelat sulgema."
Sünkroonia tabamatu tõestus
Teated ühehäälselt Kagu-Aasias põlevate tulikärbeste kohta filtreerusid sajandeid tagasi lääne teaduslikusse diskursusesse. Tuhanded tulikärbsed, nn kelip-kelip Malaisias - nende nimi on omamoodi visuaalne onomatopoeesia nende vilkumise kohta - võivad asuda jõeäärsetele puudele. "Nende valgus põleb ja ühine kaastunne kustutab selle," ütles Tais ringreisil viibiv Briti diplomaat. kirjutas 1857is. "Ühel hetkel on iga leht ja oks kaunistatud teemandilaadse tulega."
Kõik ei aktsepteerinud neid aruandeid. "Sellise asja esinemine putukate seas on kindlasti vastuolus kõigi loodusseadustega," kirjutati ajakirjale teadus kaebas 1917. aastal, väites, et näilise efekti põhjustas hoopis vaataja tahtmatu pilgutamine. Kuid 1960. aastateks kinnitasid külastavad tulikärbseuurijad kvantitatiivse analüüsiga seda, mida kohalikud paadimehed mangroovisoodes olid juba ammu teadnud.
Sarnane stsenaarium toimus 1990. aastatel, kui Tennessee loodusteadlane nimetas Lynn Faust lugege nimelise teadlase enesekindlat avaldatud väidet Jon Copeland et Põhja-Ameerikas polnud sünkroonseid tulikärbseid. Faust teadis siis, et see, mida ta oli aastakümneid lähedal asuvas metsas vaadanud, oli midagi tähelepanuväärset.
Faust kutsus Copelandi ja oma kaastöölise Moiseffi vaatama liiki Suurtes Suitsumägedes nimega Photinus carolinus. Isaste tulikärbeste pilved täidavad metsi ja lagedaid, hõljudes umbes inimese kõrgusel. Selle asemel, et tihedalt koordineeritult pilgutada, kiirgavad need tulikärbsed mõne sekundi jooksul kiireid sähvatusi, seejärel vaikivad mitu korda kauem, enne kui kaotavad uue sähvatuse. (Kujutage ette, et paparatsod ootavad korrapäraste ajavahemike järel kuulsuste ilmumist, pildistavad igal esinemisel mitu fotot ja sirutavad seejärel seisaku ajal pöidlaid.)
Copelandi ja Moiseffi katsed näitasid, et isoleeritud P. carolinus tulikärbsed üritasid tõesti vilguda naabruses asuva tulekärbse või vilkuva LED-iga lähedal asuvas purgis. Meeskond seadis välkude salvestamiseks üles ka põldude ja metsalagendike servadesse ülitundlikud videokaamerad. Copeland käis kaadri haaval läbi kaadri, lugedes kokku, kui palju tulikärbseid igal hetkel valgustati. Nende hoolikalt kogutud andmete statistiline analüüs tõestas, et kõik stseeni kaamerate vaateväljas olevad tulikärbsed kiirgasid tõepoolest korrapäraste, korrelatsiooniga ajavahemike järel.
Kaks aastakümmet hiljem, kui Peleg ja tema järeldoktor, füüsik Raphaël Sarfati, mille eesmärk oli koguda tulikärbse andmeid, oli saadaval parem tehnoloogia. Nad kavandasid kahe GoPro kaamera süsteemi, mis paiknesid üksteisest mõne jala kaugusel. Kuna kaamerad tegid 360-kraadist videot, suutsid nad tulikärbeste sülemi dünaamikat jäädvustada seestpoolt, mitte ainult küljelt. Selle asemel, et lugeda käsitsi välku, töötas Sarfati välja töötlemisalgoritmid, mis suudavad mõlema kaamera poolt püütud tulikärbse välkudel kolmnurka teha ja seejärel salvestada mitte ainult iga vilkumise hetke, vaid ka koha, kus see kolmemõõtmelises ruumis toimus.
Sarfati tõi selle süsteemi esmakordselt kasutusele Tennessee osariigis juunis 2019 P. carolinus tulekärbsed, mille Faust oli kuulsaks teinud. See oli tema esimene kord, kui ta seda vaatepilti oma silmaga nägi. Ta oli kujutlenud midagi sarnast Aasiast pärit tulikärbse sünkroonist, kuid Tennessee pursked olid segasemad, kuni kaheksa kiiret välgatust umbes nelja sekundi jooksul kordusid ligikaudu iga 12 sekundi järel. Kuid see segadus oli põnev: füüsikuna tundis ta, et metsikute kõikumistega süsteem võib osutuda palju informatiivsemaks kui see, mis käitub ideaalselt. "See oli keeruline, mõnes mõttes segane, aga ka ilus," ütles ta.
Juhuslikud, kuid sümpaatsed vilkurid
Oma bakalaureuseõppes sünkroniseerivate tulikärbeste harjas õppis Peleg kõigepealt neid mõistma Jaapani füüsiku pakutud mudeli kaudu. Yoshiki Kuramoto. See on sünkroonsuse ur-mudel, matemaatiliste skeemide vanaisa, mis selgitab, kuidas sünkroonsus võib tekkida, sageli vääramatult, kõiges alates inimsüdame südamestimulaatorirakkude rühmadest kuni vahelduvate vooludeni.
Kõige põhilisemalt peavad sünkroonsüsteemide mudelid kirjeldama kahte protsessi. Üks neist on isoleeritud indiviidi sisemine dünaamika - antud juhul üksik tulikärbes purgis, mida juhib füsioloogiline või käitumuslik reegel, mis määrab, millal see vilkuma hakkab. Teine on see, mida matemaatikud nimetavad sidestamiseks, kuidas ühe tulikärbse välk mõjutab tema naabreid. Nende kahe osa juhuslike kombinatsioonidega võib erinevate ainete kakofoonia end kiiresti kenaks kooriks tõmmata.
Kuramoto-pärases kirjelduses käsitletakse iga üksikut tulikärbst kui ostsillaatorit, millel on sisemine eelistatud rütm. Kujutage ette tulikärbeseid, nagu peidetud pendel, mis nende sees pidevalt õõtsub; kujutage ette, et viga vilgub iga kord, kui selle pendel pühib läbi kaare põhja. Oletame ka, et naabervälgu nägemine nihutab tulikärbse tempot määravat pendlit veidi ette või taha. Isegi kui tulikärbsed hakkavad üksteisega sünkroonist väljas või nende eelistatud sisemised rütmid on individuaalselt erinevad, läheneb nende reeglite järgi tegutsev kollektiiv sageli kooskõlastatud välgumustrile.
Selle üldise skeemi kohta on aastate jooksul ilmnenud mitu variatsiooni, millest igaüks on kohandanud sisemise dünaamika ja sidumise reegleid. 1990. aastal Strogatz ja tema kolleeg Rennie Mirollo Bostoni kolledžist tõestas, et väga lihtne tulikärbselaadsete ostsillaatorite komplekt sünkroniseerub peaaegu alati, kui te need omavahel ühendate, olenemata sellest, kui palju inimesi kaasate. Järgmisel aastal kirjeldas Ermentrout, kuidas rühmad Pteroptyx malaccae Kagu-Aasia tulekärbsed võivad sünkroonida, kiirendades või aeglustades nende sisemist sagedust. Veel 2018. aastal juhtis grupp Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila Boliivia San Andrési Kõrgema Ülikooli esindaja töötas välja keerulisema skeemi, mille kohaselt tulikärbsed lülituvad edasi-tagasi laadimisoleku ja tühjenemise oleku vahel, mille jooksul nad vilkusid.
Aga kui Peleg ja Sarfati kaamerad hakkasid jäädvustama kolmemõõtmelisi andmeid sarjast, siis oota Photinus carolinus tulikärbseid Great Smokies 2019. aastal, näitasid nende analüüsid uusi mustreid.
Üks oli kinnitus millelegi, millest Faust ja teised tulikärbse loodusteadlased olid juba ammu teatanud: ühest kohast algas sageli sähvatus, mis kulges seejärel läbi metsa kiirusega umbes pool meetrit sekundis. Nakkuslik lainetus viitas sellele, et tulikärbeste side ei olnud globaalne (seotud kogu sülemiga) ega ka puhtalt lokaalne (iga tulihingeline hoolib ainult lähinaabritest). Selle asemel paistis, et tulikärbsed pööravad tähelepanu teistele tulikärbestele erinevatel kaugustel. Sarfati ütles, et see võib olla tingitud sellest, et tulikärbsed näevad ainult katkematul vaatejoonel toimuvaid sähvatusi; metsades jääb taimestik sageli vahele.
Tundub, et tõelised tulikärbsed eiravad Kuramoto-maitseliste mudelite põhieeldusi, mis käsitlevad iga isikut perioodilisena. Kui Peleg ja Sarfati singli välja andsid P. carolinus tulikärbes telgis, kiirgas ta sähvatusi juhuslikult, selle asemel et järgida ranget rütmi. Mõnikord ootas see vaid paar sekundit, teinekord mõni minut. "See viib teid juba kõigi olemasolevate mudelite universumist välja," ütles Strogatz.
Kuid kui meeskond viskas sisse 15 või enam tulikärbest, süttis kogu telk kollektiivsete välguhoogudega, mille vahe oli umbes tosin sekundit. Sünkroonsus ja grupi perioodilisus olid tulekärbeste kooskäimise puhtalt esilekerkivad produktid. sisse paberi mustand laadis eelmisel kevadel üles biorxiv.org eeltrükiserverisse, grupp Peleg, kes töötab koos füüsikuga Srividya Iyer-Biswas Purdue ülikoolist ja Santa Fe Instituudist pakkusid välja uhiuue mudeli, kuidas see juhtuda võiks.
Kujutage ette isoleeritud tulikärbst, kes on äsja kiirganud sähvatusi, ja järgige järgmisi reegleid. Kui eraldate selle kohe, ootab see juhusliku intervalli, enne kui uuesti vilkuma hakkab. Siiski on minimaalne ooteaeg, mida putukas vajab oma valgusorganite laadimiseks. See tulikärbes on vastuvõtlik ka kaaslaste survele: kui ta näeb, et teine tulikärbes hakkab vilkuma, vilgub ka see nii kaua, kui ta füüsiliselt suudab.
Kujutage nüüd ette tervet tulikärbeste põldu vaikses pimeduses kohe pärast lõhkemist. Igaüks neist valib juhusliku ooteaja, mis on pikem kui laadimisperiood. Kes aga esimesena vilksatab, inspireerib kõiki teisi kohe sisse hüppama. Kogu see protsess kordub iga kord, kui väli läheb pimedaks. Tulekärbeste arvukuse kasvades muutub üha tõenäolisemaks, et vähemalt üks valib juhuslikult uuesti sähvatuse niipea, kui see on bioloogiliselt võimalik, ja see paneb ülejäänud käima. Selle tulemusena lüheneb katkestuste vaheline aeg minimaalse ooteaja suunas. Kõik teadlased, kes seda stseeni silmitsevad, näevad seda, mis näeb välja nagu ühtlane valguse rühmarütm, mis veereb pimedusse ja seejärel pimedus purskab valgusega.
A teine eeltrükk grupp Peleg avastas veel ühe eksootilise mustri. Lõuna-Carolinas Congaree rahvuspargis märkas Peleg midagi veidrat, kui tema meeskond treenis oma varustust sünkroniseeriva tulikärbse peal. Photuris frontalis. "Mäletan, et nägin oma silmanurgast, et seal on see väike tulikärbes, kes tõesti ei ole löögi all. Kuid ta on endiselt täpne, ”sõnas naine.
Meeskonna analüüs näitas, et kuigi tulikärbeste põhikoor vilkus rütmis, keeldusid kangekaelsed kõrvalekalded kaasa mängimast. Nad jagasid sama ruumi ja välgatasid oma perioodi, kuid olid ümbritseva sümfooniaga faasist väljas. Mõnikord tundusid kõrvalekalded üksteisega sünkroniseeruvat; mõnikord nad lihtsalt vilkusid asünkroonselt. Pelegi rühm kirjeldab seda kui kimäärset olekut, sünkroonsuse vormi, mille märkis Kuramoto esmakordselt 2001. aastal ning mida uurisid Strogatz ja matemaatik. Daniel Abrams Northwesterni ülikoolist 2004. aastal matemaatiliselt idealiseeritud kujul. Mõni neuroteadlaste aruanded väidavad, et on teatud katsetingimustes näinud sellist kimääri sünkroonsust ajurakkude tegevuses, kuid muidu pole seda looduses siiani täheldatud.
Pole veel selge, miks loodus eelistaks pigem selle segase sünkroniseerimisoleku kui ühtlasema oleku arengut. Kuid isegi põhiline sünkroonsus on alati kujutanud endast evolutsioonilist müsteeriumi: kuidas aitab sulandumine iga isaslooma potentsiaalsele kaaslasele silma paista? Peleg arvas, et uuringud, mis käsitlevad emaste tulikärbeste, mitte ainult isaste käitumismustreid, võivad olla informatiivsed. Tema rühm on hakanud seda tegema P. carolinus tulekärbsed, kuid mitte veel kimääri suhtes P. frontalis liigid.
Lightning-Bug arvutiteadus
Modelleerijate jaoks on nüüd käimas võidujooks vaadeldud tulikärbeste mustrite kapseldamiseks uutesse ja täiustatud raamistikesse. Ermentroutil on läbivaatamisel paber, mis pakub teistsugust matemaatilist kirjeldust Photinus carolinus: Oletame, et selle asemel, et oodata puhtjuhuslikku laadimisaega üle kohustusliku miinimumi, on vead lihtsalt mürarikkad, ebaregulaarsed ostsillaatorid? Tulekärbsed võivad siis hakata korralikult perioodiliste vilkuritena toimima alles siis, kui nad on kokku kogunenud. Arvutisimulatsioonides ühtib see mudel ka Peleg rühma andmetega. "Kuigi me ei programmeerinud seda sisse, ilmnevad sellised asjad nagu lained," ütles Ermentrout.
Bioloogid väidavad, et Peleg ja Sarfati odav kaamera- ja algoritmisüsteem võib oluliselt aidata edendada ja demokratiseerida tulikärbeste uurimist. Tulekärbseid on looduses raske uurida, sest liikide eristamine nende sähvatuste järgi on raske kõigil peale kõige pühendunumate teadlaste ja hardcore harrastajate. See muudab tulikärbeste populatsioonide levila ja arvukuse mõõtmise keeruliseks isegi siis, kui kardetakse, et paljud äikesepisikuliigid on väljasuremise teel. Uus seadistus võib hõlbustada Firefly-vilkuvate andmete kogumist, analüüsimist ja jagamist.
2021. aastal kasutas Sarfati süsteemi, et kinnitada Arizona teadet, et kohalikud liigid Photinus knulli saab sünkroonida, kui piisavalt tulikärbeseid koguneb. Sel aastal saatis Pelegi laboratoorium 10 kaamerasüsteemi koopiat tulikärbseuurijatele üle kogu USA. Nüüd võtavad nad andmeid valgusshowdest, mida eelmisel suvel valmistasid kaheksa liiki. Kaitsealaseid jõupingutusi silmas pidades püüab rühm Pelegi labori masinõppeteadlasi välja õpetada algoritmi, et tuvastada liike salvestatud kaadrite välgumustrite järgi.
Koomiksilikud tulikärbeste mudelid inspireerisid aastakümneid matemaatilist teooriat; Peleg loodab, et praegu esile kerkivad nüansirikkamad tõed on samasugused.
Moiseff jagab seda lootust. Fireflies "on arvutiteadusega hästi tegelenud juba enne meie olemasolu," ütles ta. Nende sünkroonimise õppimine võib aidata paremini mõista ka teiste elusolendite iseorganiseeruvat käitumist.
Toimetaja märkus: Steven Strogatz on saatejuht Quanta'S Rõõm miks podcast ja liige Quantanõuandekogu.
