Japanilaisissa kansanperinteissä ne symboloivat lähteviä sieluja tai hiljaista, palavaa rakkautta. Jotkut Perun Andien alkuperäiskansojen kulttuurit pitävät niitä haamujen silminä. Ja eri länsimaisissa kulttuureissa tulikärpäset, hehkumatot ja muut bioluminesoivat kovakuoriaiset on yhdistetty häikäiseviin ja toisinaan ristiriitaisiin vertauskuvallisten assosiaatioiden joukkoon: "lapsuus, sato, tuomio, tontut, pelko, elinympäristön muutos, idylli, rakkaus, onni, kuolevaisuus, prostituutio, päivänseisaus, tähdet sekä sanojen ja kognition ohikiitävällisyys”, kuten eräässä vuoden 2016 katsauksessa todettiin.
Fyysikot kunnioittavat tulikärpäsiä syistä, jotka saattavat tuntua yhtä mystisiltä: noin 2,200 XNUMX lajista, jotka ovat hajallaan ympäri maailmaa, kourallinen on dokumentoitu kyky välähtää synkronisesti. Malesiassa ja Thaimaassa tulikärpästen reunustamat mangrovepuut voivat vilkkua tahdissa ikään kuin ne olisivat koristeltu jouluvaloilla; joka kesä Appalachiassa aavemaisen konkordanssin aallot värähtelevät peltojen ja metsien yli. Tulikärpästen valo näyttää houkuttelevan kavereita ja ihmisjoukkoja nähtävyyksiin, mutta ne ovat myös auttaneet käynnistämään joitain perustavanlaatuisimmista yrityksistä selittää synkronointia, alkemiaa, jolla monimutkainen koordinaatio syntyy jopa hyvin yksinkertaisista yksittäisistä osista.
Orit Peleg muistaa, kun hän kohtasi ensimmäisen kerran synkronisten tulikärpästen mysteerin fysiikkaa ja tietojenkäsittelytiedettä opiskellessaan. Tulikärpäset esiteltiin esimerkkinä siitä, kuinka yksinkertaiset järjestelmät saavuttavat synkronoinnin Epälineaarinen dynamiikka ja kaaos, matemaatikon oppikirja Steven Strogatz joita hänen luokkansa käytti. Peleg ei ollut koskaan edes nähnyt tulikärpästä, sillä ne ovat harvinaisia Israelissa, jossa hän varttui.
"Se on vain niin kaunis, että se on jotenkin juuttunut päähäni monta, monta vuotta", hän sanoi. Mutta siihen mennessä kun Peleg perusti oman laboratorion soveltaen laskennallisia lähestymistapoja biologiaan Coloradon yliopistossa ja Santa Fe -instituutissa, hän oli oppinut, että vaikka tulikärpäset olivat inspiroineet paljon matematiikkaa, kvantitatiiviset tiedot, jotka kuvaavat hyönteisten todellista toimintaa niukka.
Hän päätti korjata asian. Kahden viime vuoden aikana Pelegin ryhmän julkaisusarja on avannut paloletkun todellista dataa synkronista useissa tulikärpäslajeissa useissa tutkimuskohteissa ja paljon suuremmalla resoluutiolla kuin aiemmat mallintajat tai biologit olivat onnistuneet. "Melko hämmästyttävää" sanoo matemaattinen biologi Bard Ermentrout Pittsburghin yliopistossa kuvaili joukkueen tuloksia Quanta. "Olin hämmästynyt", sanoi Andrew Moiseff, biologi Connecticutin yliopistosta.
Nämä paperit osoittavat, että todelliset tulikärpäsparvet poikkeavat matemaattisista idealisoinneista, joita lehdissä ja oppikirjoissa on liikkunut vuosikymmeniä. Esimerkiksi melkein jokainen tulikärpäsen synkronian malli olettaa, että jokaisella tulikärpäsellä on oma sisäinen metronomi. Esipainatus siitä Pelegin ryhmästä Lähetetty maaliskuussaosoitti kuitenkin, että ainakin yhdessä lajissa yksittäisillä tulikärpäsillä ei ole luontaista rytmiä, ja se esitti, että kollektiivinen lyönti syntyy vain monien yhteen kokoontuneiden salamavikojen pelottavasta synergiasta. An vielä tuoreempi esipainos, ladattu ensimmäisen kerran toukokuussa ja päivitetty viime viikolla, dokumentoitu a harvinainen synkronityyppi jota matemaatikot kutsuvat kimeeritilaksi, jolla on lähes koskaan havaittu todellisessa maailmassa keinotekoisten kokeiden ulkopuolella.
Firefly-biologit toivovat, että uudet menetelmät muokkaavat tulikärpästen tiedettä ja suojelua. Matemaatikko, joka käynnistää synkroniateorioita, kuten ne, joita Strogatz kuvaili oppikirjassaan, ovat jo pitkään kehittäneet malleja ilman paljon kokeellista palautetta sotkuisista reaalimaailman synkronoijista. "Se on suuri läpimurto", sanoi Strogatz, matematiikan professori Cornellin yliopistosta. "Nyt voimme aloittaa silmukan sulkemisen."
Synkronian vaikea todiste
Raportit yhdessä Kaakkois-Aasiassa leijuvista tulikärpäsistä suodattuivat takaisin länsimaiseen tieteelliseen keskusteluun vuosisatojen ajan. Tuhansia tulikärpäsiä, soitettu kelip-kelip Malesiassa - heidän nimensä on eräänlainen visuaalinen onomatopoeia heidän tuikelleen - voivat asettua joenvarren puihin. "Heidän valonsa leimahtaa ja yhteinen sympatia sammuttaa sen", Thaimaassa kiertävä brittidiplomaatti kirjoitti 1857issa. "Yhdessä hetkessä jokainen lehti ja oksa näyttää koristeltulta timantinomaisella tulella."
Kaikki eivät hyväksyneet näitä raportteja. "Se, että tällaista tapahtuu hyönteisten keskuudessa, on varmasti vastoin kaikkia luonnonlakeja", eräs kirje päiväkirjaan tiede valitti vuonna 1917 väittäen, että näennäinen vaikutus johtui sen sijaan katsojan tahattomasta räpyttelystä. Kuitenkin 1960-luvulla vierailevat tulikärpästen tutkijat vahvistivat kvantitatiivisella analyysillä sen, mitä paikalliset veneilijät mangrovesoissa olivat tienneet pitkään.
Samanlainen skenaario pelattiin 1990-luvulla, kun Tennesseen luonnontieteilijä nimesi Lynn Faust lue nimetyn tiedemiehen itsevarma julkaistu väite Jon Copeland että Pohjois-Amerikassa ei ollut synkronisia tulikärpäsiä. Faust tiesi silloin, että se, mitä hän oli katsellut vuosikymmeniä läheisessä metsässä, oli jotain merkittävää.
Faust kutsui Copelandin ja hänen yhteistyökumppaninsa Moiseffin näkemään lajin Great Smoky Mountainsissa nimeltä Photinus carolinus. Urostulikärpästen pilvet täyttävät metsiä ja avoimia kelluen noin ihmisen korkeudella. Sen sijaan, että ne räpyttäisivät tiukasti koordinoidusti, nämä tulikärpäset lähettävät nopeita välähdyksiä muutamassa sekunnissa ja vaimentavat sitten useita kertoja pidemmäksi ajaksi, ennen kuin ne menettävät uuden välähdyksen. (Kuvittele joukko paparazzeja, jotka odottavat julkkisten ilmestymistä säännöllisin väliajoin, ottavat kuvia jokaisella esiintymisellä ja sitten pyörittelevät peukkujaan seisokkeissa.)
Copelandin ja Moiseffin kokeet osoittivat, että se on eristetty P. carolinus tulikärpäset todella yrittivät välähtää naapurissa olevan tulikärpäsen – tai vilkkuvan LEDin – kanssa läheisessä purkissa. Tiimi asensi myös erittäin herkkiä videokameroita peltojen ja metsien reunoihin tallentamaan välähdyksiä. Copeland kävi kuvamateriaalin läpi kuva ruudulta ja laski kuinka monta tulikärpästä valaistui kullakin hetkellä. Näiden huolella kerättyjen tietojen tilastollinen analyysi osoitti, että kaikki kameran näkyvissä olevat tulikärpäset todella säteilivät salamapurkauksia säännöllisin, korreloiduin aikavälein.
Kaksi vuosikymmentä myöhemmin, kun Peleg ja hänen postdoc, fyysikko Raphaël Sarfati, jonka tarkoituksena oli kerätä tulikärpästietoja, parempaa tekniikkaa oli saatavilla. He suunnittelivat järjestelmän kahdesta GoPro-kamerasta, jotka oli sijoitettu muutaman metrin päähän toisistaan. Koska kamerat ottivat 360 asteen videota, ne pystyivät tallentamaan tulikärpäsparven dynamiikan sisältä, ei vain sivulta. Sen sijaan, että Sarfati laskisi välähdyksiä käsin, hän kehitti prosessointialgoritmeja, jotka pystyivät kolmiomaamaan molempien kameroiden sieppaamien tulikärpästen salamat ja sitten tallentamaan paitsi jokaisen välähdyksen tapahtumisajan, myös sen, missä se tapahtui kolmiulotteisessa avaruudessa.
Sarfati toi tämän järjestelmän ensimmäisen kerran kentälle Tennesseessä kesäkuussa 2019 P. carolinus tulikärpäsiä, jotka Faust oli tehnyt tunnetuksi. Se oli hänen ensimmäinen kerta, kun hän näki spektaakkelin omin silmin. Hän oli kuvitellut jotain Aasian tulikärpäsen synkronian tiukkojen kohtausten kaltaista, mutta Tennessee-purskeet olivat sotkuisempia, ja jopa kahdeksan nopeaa välähdystä noin neljän sekunnin aikana toistettiin noin 12 sekunnin välein. Silti se sotkuisuus oli jännittävää: fyysikkona hän katsoi, että järjestelmä, jossa on villit vaihtelut, voisi osoittautua paljon informatiivisemmaksi kuin se, joka käyttäytyi täydellisesti. "Se oli monimutkaista, se oli tavallaan hämmentävää, mutta myös kaunista", hän sanoi.
Satunnaisia mutta sympaattisia vilkkureita
Synkronoivien tulikärpästen perustutkintoharjallaan Peleg oppi ensin ymmärtämään niitä japanilaisen fyysikon ehdottaman mallin avulla. Yoshiki Kuramoto. Tämä on synkronian ur-malli, matemaattisten suunnitelmien isoisä, joka selittää, kuinka synkronia voi syntyä, usein vääjäämättä, kaikessa ihmissydämien tahdistimen soluryhmistä vaihtovirtoihin.
Synkronisten järjestelmien mallien on yksinkertaisimmillaan kuvattava kaksi prosessia. Yksi on eristyneen yksilön sisäinen dynamiikka - tässä tapauksessa yksinäinen tulikärpänen purkissa, jota hallitsee fysiologinen tai käyttäytymissääntö, joka määrää, milloin se välähtää. Toinen on se, mitä matemaatikot kutsuvat kytkennäksi, tapaan, jolla yhden tulikärpäsen välähdys vaikuttaa sen naapureihin. Näiden kahden osan satunnaisilla yhdistelmillä eri agenttien kakofonia voi nopeasti vetää itsensä siistiksi kuoroksi.
Kuramoto-tyylisessä kuvauksessa jokaista yksittäistä tulikärpästä käsitellään oskillaattorina, jolla on luontainen suositeltu rytmi. Kuvittele tulikärpästen sisällä piilotettu heiluri, joka heiluu tasaisesti; kuvittele, että bugi vilkkuu joka kerta, kun sen heiluri pyyhkäisee kaaren pohjan läpi. Oletetaan myös, että viereisen salaman näkeminen vetää tulikärpäsen vauhtia säätelevää heiluria hieman eteen- tai taaksepäin. Vaikka tulikärpäset alkaisivat epäsynkronisesti toistensa kanssa tai niiden ensisijaiset sisäiset rytmit vaihtelevat yksilöllisesti, näiden sääntöjen hallitsema kollektiivi lähestyy usein koordinoitua salamakuviota.
Tästä yleisestä järjestelmästä on vuosien varrella syntynyt useita muunnelmia, joista jokainen on säätänyt sisäisen dynamiikan ja kytkennän sääntöjä. Vuonna 1990 Strogatz ja hänen kollegansa Rennie Mirollo Boston College osoitti, että hyvin yksinkertainen tulikärpäsen kaltainen oskillaattorisarja synkronoituisi melkein aina, jos yhdistäisit ne toisiinsa riippumatta siitä, kuinka monta yksilöä sisällytit mukaan. Seuraavana vuonna Ermentrout kuvaili kuinka ryhmiä Pteroptyx malaccae Kaakkois-Aasian tulikärpäset voisivat synkronoida nopeuttamalla tai hidastamalla sisäisiä taajuuksiaan. Vielä vuonna 2018 ryhmä, jota johti Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila San Andrésin korkeakoulu Boliviassa kehitti monimutkaisemman järjestelmän, jossa tulikärpäset vaihtoivat edestakaisin "lataustilan" ja "purkautuvan" tilan välillä, jolloin ne välähtivät.
Mutta kun Pelegin ja Sarfatin kamerat alkoivat tallentaa kolmiulotteisia tietoja purskeesta, sitten odota Photinus carolinus Fireflies Great Smokiesissa vuonna 2019, heidän analyysinsä paljasti uusia malleja.
Yksi oli vahvistus jollekin, jonka Faust ja muut tulikärpäsluonnontutkijat olivat raportoineet jo kauan: välähdyspurkaus alkoi usein yhdestä paikasta ja valui sitten metsän läpi noin puoli metriä sekunnissa. Tarttuva aaltoilu viittasi siihen, että tulikärpästen kytkentä ei ollut globaali (koko parvi kytkettynä) eikä puhtaasti paikallinen (jokainen tulikärpänen välittää vain lähinaapureista). Sen sijaan tulikärpäset näyttivät kiinnittävän huomiota muihin tulikärpäsiin erilaisilla etäisyyksillä. Tämä voi johtua siitä, että tulikärpäset näkevät vain välähdyksiä, jotka tapahtuvat katkeamattomalla näkölinjalla, Sarfati sanoi; metsissä kasvillisuus on usein tiellä.
Todelliset tulikärpäset näyttävät myös rikkovan Kuramoto-makuisten mallien peruslähtökohtaa, joka kohtelee jokaista yksilöä jaksollisena. Kun Peleg ja Sarfati julkaisivat singlen P. carolinus tulikärpänen teltassa, se säteili välähdyksiä satunnaisesti sen sijaan, että olisi noudattanut tiukkaa rytmiä. Joskus se odotti vain muutaman sekunnin, toisinaan muutaman minuutin. "Se vie sinut jo pois kaikkien olemassa olevien mallien universumista", Strogatz sanoi.
Mutta kun ryhmä pudotti sisään 15 tai enemmän tulikärpäsiä, koko teltta syttyi kollektiivisilla salamapurkauksilla, jotka olivat noin tusinan sekunnin välein. Synkronisuus ja ryhmän jaksollisuus olivat puhtaasti yhdessä hengailujen tulikärpästen esiintulevia tuotteita. Sisään paperiluonnos ladattu biorxiv.org esitulostuspalvelimelle viime keväänä, Peleg-ryhmä, joka työskentelee fyysikon kanssa Srividya Iyer-Biswas Purduen yliopistosta ja Santa Fe Institutesta ehdotti aivan uutta mallia, kuinka tämä voisi tapahtua.
Kuvittele eristetty tulikärpänen, joka on juuri lähettänyt välähdyksiä, ja harkitse seuraavia sääntöjä. Jos yhdistät sen nyt, se odottaa satunnaisen ajanjakson ennen kuin vilkkuu uudelleen. Hyönteisellä on kuitenkin vähimmäisodotusaika valoelinten lataamiseen. Tämä tulikärpänen on myös herkkä vertaispaineelle: Jos se näkee toisen tulikärpäsen alkavan välähtää, sekin välähtää, niin kauan kuin se fyysisesti pystyy.
Kuvaa nyt kokonainen tulikärpästen kenttä hiljaisessa pimeydessä välittömästi puhkeamisen jälkeen. Jokainen valitsee satunnaisen odotusajan, joka on pidempi kuin latausaika. Se, joka välähtää ensin, innostaa kuitenkin kaikki muut hyppäämään heti mukaan. Tämä koko prosessi toistuu aina, kun kenttä pimenee. Tulikärpästen määrän kasvaessa on yhä todennäköisempää, että ainakin yksi valitsee satunnaisesti välkkyvän uudelleen heti, kun se on biologisesti mahdollista, ja se laukaisee loput. Tämän seurauksena purskeiden välinen aika lyhenee kohti vähimmäisodotusaikaa. Kaikki tutkijat, jotka katselevat tätä kohtausta, näkevät, mikä näyttää vakaalta ryhmärytmiltä, jossa valo vierii pimeyteen ja sitten pimeys purkautuu valosta.
A toinen esipainos Peleg-ryhmästä löydettiin toinen eksoottinen kuvio. Congareen kansallispuistossa Etelä-Carolinassa Peleg huomasi jotain outoa, kun hänen tiiminsä harjoitteli laitteitaan synkronoivan tulikärpäsen kanssa. Photuris frontalis. ”Muistan nähneeni silmäkulmastani, että siellä on tämä pieni tulikärpänen, joka ei todellakaan ole vauhdissa. Mutta hän on silti täsmällinen", hän sanoi.
Ryhmän analyysi osoitti, että vaikka tulikärpästen pääkuoro välähti rytmissä, itsepäiset ulkopuoliset kieltäytyivät soittamasta mukana. He jakoivat saman tilan ja välähtivät oman aikakautensa kanssa, mutta he olivat epävaiheessa ympäröivän sinfonian kanssa. Joskus poikkeamat näyttivät synkronoituvan keskenään; joskus ne vain välähtivät asynkronisesti. Pelegin ryhmä kuvailee tätä kimeeritilaksi, synkronian muotoksi, jonka Kuramoto havaitsi ensimmäisen kerran vuonna 2001 ja jonka Strogatz ja matemaatikko tutkivat. Daniel Abrams Northwestern Universityn vuonna 2004 matemaattisesti idealisoidussa muodossa. Muutama neurotieteilijöiden raportteja väittävät nähneensä tällaista kimeerisynkronointia aivosolujen toiminnassa tietyissä koeolosuhteissa, mutta muuten sitä ei ole toistaiseksi havaittu luonnossa.
Ei ole vielä selvää, miksi luonto suosii tämän sekalaisen synkronointitilan kehittymistä yhtenäisemmän sijasta. Mutta jopa perussynkronia on aina aiheuttanut evolutionaarisen mysteerin: kuinka sekoittuminen auttaa yksittäisiä miehiä erottumaan mahdollisesta kumppanista? Peleg ehdotti, että tutkimukset, joissa tarkastellaan tulikärpästen naaraspuolisten käyttäytymismalleja eikä vain uroksia, voivat olla informatiivisia. Hänen ryhmänsä on alkanut tehdä niin P. carolinus tulikärpäsiä, mutta ei vielä kimeerialttiiden kanssa P. frontalis lajeja.
Lightning-Bug Computer Science
Mallintajien kilpailu on nyt käynnissä havaittujen tulikärpästen kuvioiden kapseloimiseksi uusiin ja parannettuihin kehyksiin. Ermentroutilla on tarkasteltavana oleva paperi, joka tarjoaa erilaisen matemaattisen kuvauksen Photinus carolinus: Oletetaan, että sen sijaan, että odotat puhtaasti satunnaisen ajan yli pakollisen vähimmäismäärän latausta varten, bugit ovat vain meluisia, epäsäännöllisiä oskillaattoreita? Tulikärpäset saattavat sitten alkaa toimia siististi määräajoin vilkkuvina vasta kokoontuessaan yhteen. Tietokonesimulaatioissa tämä malli vastaa myös Peleg-ryhmän tietoja. "Vaikka emme ohjelmoineet sitä, aallot tulevat esiin", Ermentrout sanoi.
Pelegin ja Sarfatin halpa kamera- ja algoritmijärjestelmä voi suuresti auttaa edistämään - ja demokratisoimaan - tulikärpästen tutkimusta, biologit sanovat. Fireflies on vaikea tutkia luonnossa, koska lajien erottaminen niiden välähdyksistä on vaikeaa kaikille paitsi kaikkein omistautuneimmille tutkijoille ja hardcore-harrastajille. Tämä tekee tulikärpäspopulaatioiden levinneisyysalueen ja runsauden mittaamisesta haastavaa, vaikka pelot lisääntyvät siitä, että monet salamahäkälajit ovat kuolemassa sukupuuttoon. Uusi asennus voi helpottaa Firefly Flash-tietojen keräämistä, analysointia ja jakamista.
Vuonna 2021 Sarfati käytti järjestelmää vahvistaakseen Arizonasta saadun raportin, että paikalliset lajit Photinus knulli voi synkronoida, kun tarpeeksi tulikärpäsiä kokoontuu yhteen. Tänä vuonna Pelegin laboratorio lähetti 10 kopiota kamerajärjestelmästä tulikärpästen tutkijoille ympäri Yhdysvaltoja. He ottavat nyt tietoja valoesityksistä, joita kahdeksan lajia on tuottanut viime kesänä. Suojelutoimien tehostamiseksi ryhmä koneoppimisen tutkijoita Peleg-laboratoriossa yrittää kouluttaa algoritmia, joka tunnistaa lajit tallennetun materiaalin salamakuvioista.
Sarjakuvamaiset tulikärpästen mallit inspiroivat matemaattista teoriaa vuosikymmeniä; Peleg toivoo, että nyt esiin tulevat vivahteikkaammat totuudet ovat yhtä tärkeitä.
Moiseff jakaa tämän toivon. Fireflies "ovat tehneet tietojenkäsittelytiedettä hyvin ennen meidän edes olemassaoloamme", hän sanoi. Niiden synkronoinnin oppiminen voi johtaa parempaan käsitykseen myös muiden elävien olentojen itseorganisoituvasta käyttäytymisestä.
Toimittajan huomautus: Steven Strogatz on majoittaja Quanta'S Joy of Why podcast ja jäsen Quantaneuvottelukunta.
