در سنت های عامیانه ژاپنی، آنها نماد روح های در حال رفتن یا عشق خاموش و آتشین هستند. برخی از فرهنگ های بومی در آند پرو، آنها را چشم ارواح می دانند. و در میان فرهنگ‌های مختلف غربی، کرم‌های شب تاب، کرم‌های درخشان و دیگر سوسک‌های بیولومنسنت با مجموعه‌ای خیره‌کننده و گاهی متناقض از تداعی‌های استعاری مرتبط شده‌اند: «کودکی، محصول، عذاب، الف‌ها، ترس، تغییر زیستگاه، بت، عشق، شانس، مرگ و میر، فحشا، انقلاب، ستارگان و زودگذر بودن کلمات و شناخت، همانطور که در یک بررسی در سال 2016 اشاره شد.
فیزیکدانان به دلایلی که ممکن است کمی عرفانی به نظر برسند به کرم شب تاب احترام می گذارند: از تقریباً 2,200 گونه پراکنده در سراسر جهان، تعداد انگشت شماری از آنها توانایی مستند به فلاش زدن همزمان را دارند. در مالزی و تایلند، درختان حرا با میخ کرم شب تاب می توانند به سرعت چشمک بزنند که گویی با چراغ های کریسمس بسته شده اند. هر تابستان در آپالاشیا، امواج تطابق ترسناک در میان مزارع و جنگل ها موج می زند. نور کرم شب تاب جفت های فریبنده و انبوه گردشگران انسان را نشان می دهد، اما آنها همچنین به جرقه برخی از اساسی ترین تلاش ها برای توضیح همگام سازی کمک کرده اند، کیمیاگری که با آن هماهنگی دقیق از بخش های منفرد بسیار ساده پدیدار می شود.
اوریت پلگ به یاد می آورد زمانی که او برای اولین بار به عنوان دانشجوی کارشناسی فیزیک و علوم کامپیوتر با رمز و راز کرم شب تاب همزمان مواجه شد. کرم شب تاب به عنوان نمونه ای از نحوه دستیابی سیستم های ساده به همگامی در آن ارائه شد دینامیک غیرخطی و آشوب، کتاب درسی ریاضیدان استیون استروگاتز که کلاسش از آن استفاده می کرد. پلگ هرگز حتی یک کرم شب تاب ندیده بود، زیرا آنها در اسرائیل، جایی که او بزرگ شد، غیرمعمول هستند.
او گفت: «آنقدر زیباست که سال‌ها به نوعی در ذهنم ماندگار شد. اما زمانی که پلگ آزمایشگاه خود را با استفاده از رویکردهای محاسباتی برای زیست شناسی در دانشگاه کلرادو و در موسسه سانتافه آغاز کرد، متوجه شد که اگرچه کرم شب تاب الهام بخش زیادی از ریاضیات بوده است، داده های کمی که توصیف می کند حشرات واقعا چه می کنند. اندک
او تصمیم گرفت تا آن را برطرف کند. در دو سال گذشته، مجموعه‌ای از مقاله‌های گروه Peleg شیلنگ آتش نشانی از داده‌های دنیای واقعی در مورد همزمانی گونه‌های کرم شب‌تاب در مکان‌های مطالعاتی متعدد و با وضوح بسیار بالاتر از مدل‌سازان یا زیست‌شناسان قبلی را باز کرده‌اند. «بسیار شگفت‌انگیز» این زیست‌شناس ریاضی است بارد ارمنتروت در دانشگاه پیتسبورگ نتایج تیم را به شرح زیر بیان کرد کوانتوم. گفت: "من غرق شدم." اندرو مویزف، زیست شناس در دانشگاه کانکتیکات.
این مقالات نشان می‌دهند که انبوه کرم‌های شب تاب واقعی از ایده‌آل‌سازی‌های ریاضی که برای دهه‌ها در مجلات و کتاب‌های درسی می‌چرخد، فاصله می‌گیرد. برای مثال، تقریباً هر مدلی برای همگامی کرم شب تاب ساخته شده است، برای مثال، فرض می کند که هر کرم شب تاب مترونوم داخلی خود را حفظ می کند. پیش چاپی که گروه Peleg ارسال شده در ماه مارسبا این حال، نشان داد که حداقل در یک گونه، کرم شب‌تاب‌های منفرد ریتم ذاتی ندارند و فرض بر این بود که ضربان جمعی تنها از هم‌افزایی شبح‌آور بسیاری از حشرات رعد و برق که در کنار هم جمع شده‌اند پدیدار می‌شود. یک حتی پیش چاپ جدیدتر، اولین بار در ماه مه آپلود شد و هفته گذشته به روز شد، مستند الف نوع نادری از همزمانی که ریاضیدانان به آن حالت کایمرا می گویند که دارد تقریبا هرگز مشاهده نشده است در دنیای واقعی خارج از آزمایش های ساختگی.
زیست شناسان کرم شب تاب امیدوارند روش های جدید علم و حفاظت از کرم های شب تاب را تغییر دهد. در همین حال، ریاضیدانانی که تئوری های همزمانی را مانند آنچه استروگاتز در کتاب درسی خود شرح داده است، ارائه می کنند، مدت هاست که مدل هایی را بدون بازخورد آزمایشی زیادی از همگام سازهای درهم و برهم دنیای واقعی ارائه کرده اند. استروگاتز، استاد ریاضیات در دانشگاه کرنل، گفت: «این پیشرفت بزرگ است. "اکنون می توانیم شروع به بستن حلقه کنیم."
اثبات گریزان همزمانی
گزارش‌هایی از شعله‌ور شدن همزمان در آسیای جنوب شرقی به گفتمان علمی غرب برای قرن‌ها بازمی‌گردد. هزاران کرم شب تاب، صدا زدند kelip-kelip در مالزی - نام آنها نوعی از تصویری تصویری برای چشمک زدنشان است - می‌توانند روی درختان کنار رودخانه مستقر شوند. یک دیپلمات بریتانیایی در سفر به تایلند، "نور آنها شعله می کشد و با یک همدردی مشترک خاموش می شود." در 1857 نوشت. "در یک لحظه هر برگ و شاخه با آتش الماس مانند تزئین شده است."
همه این گزارش ها را نپذیرفتند. در نامه ای به این مجله آمده است: «به وقوع پیوستن چنین چیزی در میان حشرات، مسلماً با تمام قوانین طبیعی مغایرت دارد». علم در سال 1917 شکایت کرد و استدلال کرد که اثر ظاهری در عوض ناشی از پلک زدن غیرارادی بیننده است. با این حال، در دهه 1960، محققان کرم شب تاب از طریق تجزیه و تحلیل کمی آنچه را که قایقرانان محلی در باتلاق های حرا از مدت ها قبل می دانستند، تایید کردند.
سناریوی مشابهی در دهه 1990 رخ داد، زمانی که یک طبیعت شناس تنسی به نام لین فاوست ادعای منتشر شده مطمئن دانشمندی به نام را بخوانید جان کوپلند که هیچ کرم شب تاب همزمان در آمریکای شمالی وجود نداشت. فاوست در آن زمان می‌دانست که آنچه او برای دهه‌ها در جنگل‌های مجاور تماشا می‌کرد، چیزی قابل توجه بود.
فاوست از کوپلند و مویزف، همکارش دعوت کرد تا گونه‌ای را در کوه‌های دودی بزرگ به نام Photinus carolinus. ابرهای کرم شب تاب نر جنگل ها و مناطق پاک را پر کرده و تقریباً در ارتفاع انسان شناور هستند. این کرم شب‌تاب‌ها به جای پلک زدن با هماهنگی کامل، در عرض چند ثانیه فورانی از چشمک‌های سریع ساطع می‌کنند، سپس چندین بار ساکت می‌شوند و سپس یک انفجار دیگر را از دست می‌دهند. (تصور کنید انبوهی از پاپاراتزی‌ها منتظر ظاهر شدن افراد مشهور در فواصل زمانی معین هستند، در هر بار ظاهر شدن، تعدادی عکس می‌گیرند، و سپس در زمان استراحت انگشتانشان را می‌چرخانند.)
آزمایشات کوپلند و مویزف نشان داد که جدا شده است P. carolinus کرم شب تاب واقعاً سعی می کرد با یک کرم شب تاب همسایه - یا یک LED چشمک زن - در یک شیشه نزدیک به سرعت چشمک بزند. این تیم همچنین دوربین‌های فیلمبرداری با حساسیت بالا را در لبه‌های مزارع و جنگل‌ها برای ضبط فلاش نصب کردند. کوپلند فریم به فریم فیلم را مرور کرد و شمارش کرد که در هر لحظه چند شب تاب روشن می شود. تجزیه و تحلیل آماری این داده‌های پر زحمت جمع‌آوری‌شده ثابت کرد که تمام کرم‌های شب‌تابی در دید دوربین‌ها در یک صحنه واقعاً در فواصل منظم و همبسته، فوران‌های فلاش منتشر می‌کنند.
دو دهه بعد، زمانی که پلگ و دکترای فوق دکترش، فیزیکدان رافائل سرفتی، برای جمع آوری داده های کرم شب تاب، فناوری بهتری در دسترس بود. آنها سیستمی متشکل از دو دوربین GoPro طراحی کردند که چند فوت از هم فاصله داشتند. از آنجایی که دوربین‌ها فیلمبرداری 360 درجه می‌گرفتند، می‌توانستند دینامیک ازدحام کرم شب تاب را از داخل، نه فقط از کنار، ثبت کنند. سرفتی به جای شمارش فلاش ها با دست، الگوریتم های پردازشی را ابداع کرد که می توانست بر روی فلاش های شب تاب که توسط هر دو دوربین گرفته شده است مثلثی شود و سپس نه تنها زمانی که هر پلک زدن اتفاق می افتد، بلکه محل وقوع آن در فضای سه بعدی را نیز ثبت کند.
سرفتی برای اولین بار این سیستم را در ژوئن 2019 در تنسی وارد میدان کرد P. carolinus کرم شب تاب هایی که فاوست آن ها را معروف کرده بود. این اولین بار بود که این نمایش را با چشمان خود می دید. او چیزی شبیه صحنه‌های فشرده همگامی کرم شب تاب از آسیا را تصور کرده بود، اما انفجارهای تنسی کثیف‌تر بودند، با انفجارهای تا هشت فلاش سریع در حدود چهار ثانیه که تقریباً هر 12 ثانیه تکرار می‌شد. با این حال، این آشفتگی هیجان‌انگیز بود: او به‌عنوان یک فیزیکدان، احساس می‌کرد که سیستمی با نوسانات وحشی می‌تواند بسیار آموزنده‌تر از سیستمی باشد که کاملاً رفتار می‌کند. او گفت: "پیچیده بود، به یک معنا گیج کننده بود، اما زیبا بود."
فلاشرهای تصادفی اما دلسوز
پلگ در دوره لیسانس خود با همگام سازی کرم شب تاب، ابتدا یاد گرفت که آنها را از طریق مدلی که توسط فیزیکدان ژاپنی پیشنهاد شده بود درک کند. یوشیکی کوراموتو. این مدل هماهنگی ur، پدربزرگ طرح‌های ریاضی است که توضیح می‌دهد چگونه همزمانی می‌تواند، اغلب به‌طور اجتناب‌ناپذیر، در هر چیزی از گروه‌هایی از سلول‌های ضربان‌ساز در قلب انسان گرفته تا جریان‌های متناوب ایجاد شود.
در ابتدایی ترین حالت، مدل های سیستم های سنکرون نیاز به توصیف دو فرآیند دارند. یکی پویایی درونی یک فرد منزوی است - در این مورد یک کرم شب تاب تنها در یک شیشه است که توسط یک قانون فیزیولوژیکی یا رفتاری کنترل می شود که تعیین می کند چه زمانی چشمک می زند. دومی چیزی است که ریاضیدانان آن را جفت می نامند، روشی که فلش یک کرم شب تاب بر همسایگانش تأثیر می گذارد. با ترکیبات تصادفی این دو بخش، صدای مخوفی از عوامل مختلف می تواند به سرعت خود را به یک گروه کر منظم بکشاند.
در توصیفی شبیه به کوراموتو، هر کرم شب تاب به عنوان یک نوسانگر با ریتم ترجیحی ذاتی در نظر گرفته می شود. شب تاب ها را به شکلی تصور کنید که آونگی مخفی دارند که به طور پیوسته در داخل آنها تاب می خورد. تصور کنید هر بار که آونگش از پایین قوسش عبور می کند، یک حشره چشمک می زند. همچنین فرض کنید با دیدن فلاش همسایه، آونگ تنظیم کننده سرعت کرم شب تاب کمی به جلو یا عقب برود. حتی اگر کرم‌های شب تاب با یکدیگر هماهنگ نباشند، یا ریتم‌های درونی ترجیحی آنها به صورت جداگانه متفاوت باشد، مجموعه‌ای که توسط این قوانین اداره می‌شود اغلب بر روی یک الگوی فلاش هماهنگ همگرا می‌شوند.
چندین تغییر در این طرح کلی در طول سال ها پدیدار شده است که هر کدام قوانین پویایی داخلی و جفت را تغییر می دهند. در سال 1990، استروگاتز و همکارش رنی میرولو کالج بوستون ثابت کرد که یک مجموعه بسیار ساده از نوسانگرهای کرم شب تاب تقریباً همیشه اگر آنها را به هم وصل کنید، صرف نظر از اینکه چند نفر را شامل می‌شوید، همگام می‌شوند. سال بعد، Ermentrout توضیح داد که چگونه گروه های Pteroptyx malaccae کرم شب تاب در جنوب شرقی آسیا می تواند با افزایش یا کاهش فرکانس داخلی خود همگام شود. اخیراً در سال 2018، گروهی به رهبری گونزالو مارسلو رامیرز-آویلا از دانشگاه عالی سن آندرس در بولیوی طرح پیچیده تری ابداع کرد که در آن کرم شب تاب بین حالت "شارژ" و "دشارژ" که در طی آن چشمک می زدند، رفت و برگشت می کردند.
اما زمانی که دوربین‌های پلگ و سرفتی شروع به گرفتن داده‌های سه بعدی از انفجار کردند، پس منتظر بمانند. Photinus carolinus کرم شب تاب در Great Smokies در سال 2019، تجزیه و تحلیل آنها الگوهای جدیدی را نشان داد.
یکی تأیید چیزی بود که فاوست و دیگر طبیعت‌شناسان کرم شب‌تاب مدت‌ها گزارش کرده بودند: فوران چشمک‌ها اغلب از یک مکان شروع می‌شد و سپس با سرعت حدود نیم متر در ثانیه در جنگل می‌پیچید. امواج مسری نشان می دهد که جفت شدن کرم شب تاب ها نه جهانی است (با کل ازدحام متصل) و نه کاملاً محلی (با توجه به اینکه هر کرم شب تاب فقط به همسایگان نزدیک اهمیت می دهد). در عوض، به نظر می رسید که کرم شب تاب به سایر کرم های شب تاب در مقیاس های ترکیبی از فاصله توجه می کنند. این می تواند به این دلیل باشد که کرم شب تاب فقط می توانند فلاش هایی را ببینند که در یک خط دید ناگسستنی رخ می دهد. در جنگل ها، پوشش گیاهی اغلب مانع می شود.
همچنین به نظر می رسد کرم شب تاب واقعی از فرضیه اصلی مدل های با طعم Kuramoto که هر فرد را به عنوان دوره ای در نظر می گیرد، نادیده می گیرند. زمانی که پلگ و سرفتی یک تک آهنگ منتشر کردند P. carolinus کرم شب تاب در یک چادر، به‌جای پیروی از هر ریتم سخت، به‌طور تصادفی فلاش‌ها را ساطع می‌کرد. گاهی اوقات فقط چند ثانیه و گاهی چند دقیقه منتظر می ماند. استروگاتز گفت: "این شما را از دنیای همه مدل های موجود خارج می کند."
اما زمانی که تیم 15 یا بیشتر کرم شب تاب را پرتاب کرد، کل چادر با انفجارهای فلاش جمعی به فاصله حدود XNUMX ثانیه روشن شد. همزمانی و تناوب گروهی محصولات کاملاً نوظهور کرم شب تاب بود که با هم می‌چرخیدند. که در یک پیش نویس مقاله بهار گذشته در سرور پیش چاپ biorxiv.org آپلود شد، گروه Peleg، که با این فیزیکدان کار می کند. سریویدیا اییر-بیسواس از دانشگاه پوردو و موسسه سانتافه، یک مدل کاملاً جدید برای چگونگی این اتفاق پیشنهاد کردند.
یک کرم شب تاب ایزوله را تصور کنید که به تازگی فلاش های ناگهانی از خود ساطع کرده است و قوانین زیر را در نظر بگیرید. اگر اکنون آن را جدا کنید، قبل از اینکه دوباره چشمک بزند، یک فاصله زمانی تصادفی منتظر می ماند. با این حال، حداقل زمان انتظاری وجود دارد که حشره برای شارژ مجدد اندام های سبک خود به آن نیاز دارد. این کرم شب تاب نیز مستعد فشار همتایان است: اگر ببیند کرم شب تاب دیگری شروع به چشمک زدن می کند، تا زمانی که از نظر فیزیکی بتواند چشمک می زند.
اکنون یک میدان کامل از کرم شب تاب را در تاریکی آرام بلافاصله پس از انفجار تصور کنید. هر کدام یک زمان انتظار تصادفی بیشتر از مدت زمان شارژ را انتخاب می کنند. با این حال، هر کسی که اول فلش بزند، به بقیه الهام می‌دهد که فوراً به داخل بپرند. تمام این فرآیند هر بار که میدان تاریک می شود تکرار می شود. با افزایش تعداد کرم شب تاب، احتمال اینکه حداقل یکی از آنها به طور تصادفی به محض اینکه از نظر بیولوژیکی امکان پذیر است، دوباره چشمک بزند، به طور فزاینده ای افزایش می یابد، و این باعث می شود که بقیه حرکت کنند. در نتیجه، زمان بین انفجارها به سمت حداقل زمان انتظار کوتاه می شود. هر دانشمندی که به این صحنه نگاه کند، چیزی را خواهد دید که به نظر می رسد یک ریتم گروهی ثابت از نور که به تاریکی می چرخد و سپس تاریکی با نور فوران می کند.
A پیش چاپ دوم از گروه Peleg یک الگوی عجیب و غریب دیگر کشف کرد. در پارک ملی Congaree در کارولینای جنوبی، زمانی که تیمش تجهیزات خود را بر روی کرم شب تاب همزمان آموزش داد، پلگ متوجه چیز عجیبی شد. فوتوریس فرونتالیس. به یاد دارم که از گوشه چشمم دیدم که این کرم شب تاب کوچک وجود دارد که واقعاً در حال ضرب و شتم نیست. اما او هنوز وقت شناس است.»
تجزیه و تحلیل تیم نشان داد که در حالی که گروه کر اصلی کرم های شب تاب با ریتم چشمک می زد، افراد سرسخت از بازی کردن خودداری می کردند. آنها در همان فضا مشترک بودند و با دوره خودشان فلش می زدند، اما با سمفونی اطرافشان خارج از فاز بودند. گاهی اوقات به نظر می رسید که نقاط پرت با یکدیگر هماهنگ می شوند. گاهی اوقات آنها فقط به طور ناهمزمان فلش می شوند. گروه Peleg این را به عنوان یک حالت واهی توصیف می کند، شکلی از همزمانی که اولین بار توسط کوراموتو در سال 2001 مورد توجه قرار گرفت و توسط استروگاتز و ریاضیدان مورد بررسی قرار گرفت. دانیل آبرامز از دانشگاه نورث وسترن در سال 2004 به صورت ایده آل ریاضی. تعداد کمی گزارش های دانشمندان علوم اعصاب ادعا می کنند که این نوع همزمانی واهی را در فعالیت سلول های مغز تحت شرایط آزمایشی خاص مشاهده کرده اند، اما در غیر این صورت تاکنون در طبیعت مشاهده نشده است.
هنوز مشخص نیست که چرا طبیعت به جای یکنواختی، از تکامل این حالت همگام سازی هولناک حمایت می کند. اما حتی همگامی اولیه همیشه یک رمز و راز تکاملی را مطرح کرده است: ترکیب کردن چگونه به هر مردی کمک می کند تا به یک همسر بالقوه متمایز شود؟ پلگ پیشنهاد کرد که مطالعاتی که به الگوهای رفتاری کرم شب تاب ماده و نه فقط نرها می پردازد، ممکن است آموزنده باشد. گروه او شروع به انجام این کار با P. carolinus کرم شب تاب اما هنوز با واهی مستعد نیست P. frontalis گونه ها است.
علوم کامپیوتر لایتنینگ باگ
برای مدل‌سازان، مسابقه در حال انجام است تا الگوهای کرم شب تاب مشاهده‌شده را در چارچوب‌های جدید و بهبودیافته در بر بگیرد. Ermentrout مقاله ای در دست بررسی دارد که توصیف ریاضی متفاوتی از آن ارائه می دهد Photinus carolinus: فرض کنید به جای اینکه زمان صرفاً تصادفی فراتر از حداقل اجباری برای شارژ مجدد منتظر بمانید، اشکالات فقط نوسانگرهای نامنظم و پر سر و صدا هستند؟ پس از آن، کرم‌های شب تاب فقط زمانی که در کنار هم جمع می‌شوند، ممکن است مانند فلاشرهای منظم و منظم عمل کنند. در شبیه سازی های کامپیوتری، این مدل با داده های گروه Peleg نیز مطابقت دارد. Ermentrout گفت: «اگرچه ما آن را در آن برنامه ریزی نکردیم، چیزهایی مانند امواج ظاهر می شوند.
زیست شناسان می گویند که سیستم دوربین و الگوریتم ارزان قیمت Peleg و Sarfati ممکن است به پیشرفت - و دموکراتیزه کردن - تحقیقات کرم شب تاب کمک زیادی کند. مطالعه کرم شب تاب در طبیعت دشوار است، زیرا تشخیص گونه ها از طریق چشمک هایشان برای همه سخت است، مگر برای متعهدترین محققین و علاقه مندان سرسخت. این امر باعث می‌شود که اندازه‌گیری دامنه و فراوانی جمعیت کرم شب‌تاب چالش برانگیز باشد، حتی در حالی که ترس از اینکه بسیاری از گونه‌های صاعقه در مسیر انقراض هستند، افزایش می‌یابد. راه‌اندازی جدید می‌تواند جمع‌آوری، تجزیه و تحلیل و اشتراک‌گذاری داده‌های شب‌تابی را آسان‌تر کند.
در سال 2021، سرفتی از این سیستم برای تایید گزارشی از آریزونا مبنی بر وجود گونه های محلی استفاده کرد فوتینوس کنولی زمانی که تعداد زیادی از کرم شب تاب جمع شوند می توانند همگام شوند. امسال آزمایشگاه Peleg 10 نسخه از سیستم دوربین را برای محققان کرم شب تاب در سرتاسر ایالات متحده ارسال کرد و آنها اکنون در حال دریافت داده های نمایش نوری هستند که در تابستان گذشته توسط هشت گونه تولید شده است. با توجه به تقویت تلاش‌های حفاظتی، گروهی از محققان یادگیری ماشین در آزمایشگاه Peleg در تلاش هستند تا الگوریتمی را برای شناسایی گونه‌ها از الگوهای فلاش در فیلم‌های ضبط‌شده آموزش دهند.
مدل‌های کارتونی کرم شب‌تاب‌ها برای دهه‌ها الهام‌بخش نظریه‌های ریاضی بودند. پلگ امیدوار است حقایق ظریف تری که اکنون در حال ظهور هستند به همین ترتیب پیامد داشته باشند.
مویزف این امید را به اشتراک می گذارد. او گفت که کرم شب تاب قبل از اینکه ما وجود داشته باشیم به خوبی در زمینه علوم کامپیوتر فعالیت می کردند. یادگیری نحوه همگام سازی آنها می تواند منجر به درک بهتر رفتارهای خودسازماندهی در سایر موجودات زنده نیز شود.
یادداشت سردبیر: استیون استروگاتز میزبان این برنامه است کوانتوم" شادی چرا پادکست و عضوی از کوانتومهیئت مشاوره.
