Dans les traditions populaires japonaises, ils symbolisent le départ des âmes ou un amour silencieux et ardent. Certaines cultures autochtones des Andes péruviennes les considèrent comme des yeux de fantômes. Et dans diverses cultures occidentales, les lucioles, les vers luisants et autres coléoptères bioluminescents ont été associés à un éventail éblouissant et parfois contradictoire d'associations métaphoriques : « l'enfance, les cultures, le malheur, les elfes, la peur, le changement d'habitat, l'idylle, l'amour, la chance, mortalité, prostitution, solstice, étoiles et fugacité des mots et de la cognition », comme le notait une revue de 2016.
Les physiciens vénèrent les lucioles pour des raisons qui peuvent sembler tout aussi mystiques : sur les quelque 2,200 XNUMX espèces dispersées dans le monde, une poignée a la capacité documentée de clignoter de manière synchronisée. En Malaisie et en Thaïlande, les palétuviers parsemés de lucioles peuvent clignoter comme s'ils étaient suspendus à des lumières de Noël ; chaque été, dans les Appalaches, des vagues de concordance étranges se propagent à travers les champs et les forêts. La lumière des lucioles montre des partenaires attirés et des foules de visiteurs humains, mais elles ont également contribué à déclencher certaines des tentatives les plus fondamentales pour expliquer la synchronisation, l'alchimie par laquelle une coordination élaborée émerge de parties individuelles même très simples.
Orit Peleg se souvient de la première fois où elle a découvert le mystère des lucioles synchrones alors qu'elle étudiait la physique et l'informatique. Les lucioles ont été présentées comme un exemple de la façon dont des systèmes simples parviennent à la synchronisation dans Dynamique non linéaire et chaos, un manuel du mathématicien Steven Strogatz que sa classe utilisait. Peleg n’avait jamais vu de luciole, car elles sont rares en Israël, où elle a grandi.
"C'est tellement beau que ça m'est resté en tête pendant de très nombreuses années", a-t-elle déclaré. Mais au moment où Peleg a lancé son propre laboratoire, appliquant des approches informatiques à la biologie à l'Université du Colorado et à l'Institut de Santa Fe, elle avait appris que même si les lucioles avaient inspiré de nombreux mathématiques, les données quantitatives décrivant ce que faisaient réellement les insectes n'étaient pas suffisantes. peu.
Elle a décidé de résoudre ce problème. Au cours des deux dernières années, une série d’articles du groupe de Peleg ont ouvert une série de données du monde réel sur la synchronisation de plusieurs espèces de lucioles sur plusieurs sites d’étude, et à une résolution beaucoup plus élevée que celle obtenue par les modélisateurs ou biologistes précédents. « Assez étonnant », dit le biologiste mathématicien Barde Ermentrout de l’Université de Pittsburgh a décrit les résultats de l’équipe à Quanta. «J'ai été époustouflé», a déclaré Andrew Moiseff, biologiste à l'Université du Connecticut.
Ces articles établissent que les véritables essaims de lucioles s’écartent des idéalisations mathématiques qui ont parcouru les revues et les manuels pendant des décennies. Par exemple, presque tous les modèles de synchronisation des lucioles jamais concoctés supposent que chaque luciole possède son propre métronome interne. Une prépublication que le groupe de Peleg posté en mars, cependant, a montré que chez au moins une espèce, les lucioles individuelles n'ont pas de rythme intrinsèque, et a postulé qu'un rythme collectif n'émerge que de la synergie effrayante de nombreux insectes rassemblés. Un prépublication encore plus récente, mis en ligne pour la première fois en mai et mis à jour la semaine dernière, a documenté un type rare de synchronisation que les mathématiciens appellent un état chimère, qui a presque jamais été observé dans le monde réel en dehors des expériences artificielles.
Les biologistes des lucioles espèrent que les nouvelles méthodes remodèleront la science et la conservation des lucioles. Entre-temps, les mathématiciens qui élaborent des théories de la synchronie comme celles décrites par Strogatz dans son manuel ont longtemps élaboré des modèles sans beaucoup de retours expérimentaux de synchroniseurs désordonnés du monde réel. "C'est la grande avancée", a déclaré Strogatz, professeur de mathématiques à l'Université Cornell. "Maintenant, nous pouvons commencer à boucler la boucle."
La preuve insaisissable de synchronisation
Les rapports faisant état de lucioles flamboyantes à l’unisson en Asie du Sud-Est ont filtré dans le discours scientifique occidental pendant des siècles. Des milliers de lucioles, appelées kélip-kélip en Malaisie — leur nom est une sorte d'onomatopée visuelle pour leur scintillement — peuvent s'installer sur les arbres au bord des rivières. "Leur lumière brille et s'éteint par une sympathie commune", a déclaré un diplomate britannique en tournée en Thaïlande. écrit dans 1857. "À un moment donné, chaque feuille et chaque branche apparaît décorée d'un feu semblable à un diamant."
Tout le monde n’a pas accepté ces rapports. "Qu'une telle chose se produise parmi les insectes est certainement contraire à toutes les lois naturelles", écrit une lettre au journal. Sciences » s’est plaint en 1917, arguant que l’effet apparent était plutôt causé par le clignement involontaire des yeux du spectateur. Pourtant, dans les années 1960, des chercheurs en visite sur les lucioles ont confirmé grâce à des analyses quantitatives ce que les bateliers locaux des mangroves savaient depuis longtemps.
Un scénario similaire s'est produit dans les années 1990, lorsqu'un naturaliste du Tennessee nommé Lynn Faust lire l'affirmation confiante publiée d'un scientifique nommé Jon Copeland qu'il n'y avait pas de lucioles synchrones en Amérique du Nord. Faust comprit alors que ce qu'elle observait depuis des décennies dans les bois voisins était quelque chose de remarquable.
Faust a invité Copeland et Moiseff, son collaborateur, à voir une espèce des Great Smoky Mountains appelée Photinus carolinus. Des nuages de lucioles mâles remplissent les forêts et les clairières, flottant à peu près à hauteur humaine. Au lieu de cligner des yeux en étroite coordination, ces lucioles émettent une rafale de flashs rapides en quelques secondes, puis restent silencieuses plusieurs fois plus longtemps avant de perdre une autre rafale. (Imaginez une foule de paparazzi attendant que des célébrités apparaissent à intervalles réguliers, prenant une salve de photos à chaque apparition, puis se tournant les pouces pendant les temps d'arrêt.)
Les expériences de Copeland et Moiseff ont montré que des P. carolinus les lucioles ont vraiment essayé de clignoter en rythme avec une luciole voisine – ou une LED clignotante – dans un pot à proximité. L’équipe a également installé des caméras vidéo à haute sensibilité aux abords des champs et des clairières pour enregistrer les flashs. Copeland a parcouru les images image par image, comptant combien de lucioles étaient illuminées à chaque instant. L’analyse statistique de ces données minutieusement collectées a prouvé que toutes les lucioles visibles par les caméras sur une scène émettaient réellement des flashs à intervalles réguliers et corrélés.
Deux décennies plus tard, lorsque Peleg et son postdoctorant, la physicienne Raphaël Sarfati, visant à collecter des données sur les lucioles, une meilleure technologie était disponible. Ils ont conçu un système de deux caméras GoPro espacées de quelques mètres. Étant donné que les caméras prenaient des vidéos à 360 degrés, elles pouvaient capturer la dynamique d’un essaim de lucioles de l’intérieur, et pas seulement de côté. Au lieu de compter les flashs à la main, Sarfati a conçu des algorithmes de traitement capables de trianguler les flashs de luciole capturés par les deux caméras, puis d'enregistrer non seulement le moment où chaque clignement s'est produit, mais également l'endroit où il s'est produit dans l'espace tridimensionnel.
Sarfati a mis ce système sur le terrain pour la première fois au Tennessee en juin 2019 pour le P. carolinus lucioles que Faust avait rendues célèbres. C'était la première fois qu'il voyait le spectacle de ses propres yeux. Il avait imaginé quelque chose comme les scènes serrées de synchronisation des lucioles d'Asie, mais les sursauts du Tennessee étaient plus compliqués, avec des éclats allant jusqu'à huit éclairs rapides sur environ quatre secondes, répétés environ toutes les 12 secondes. Pourtant, ce désordre était passionnant : en tant que physicien, il pensait qu’un système avec des fluctuations sauvages pouvait s’avérer bien plus informatif qu’un système qui se comportait parfaitement. "C'était complexe, déroutant dans un sens, mais aussi beau", a-t-il déclaré.
Clignotants aléatoires mais sympathiques
Lors de ses études de premier cycle sur les lucioles synchronisées, Peleg a d'abord appris à les comprendre grâce à un modèle proposé par le physicien japonais. Yoshiki Kuramoto. Il s’agit de l’ur-modèle de la synchronie, l’ancêtre des schémas mathématiques qui expliquent comment la synchronie peut survenir, souvent inexorablement, dans n’importe quoi, depuis les groupes de cellules de stimulateur cardiaque dans le cœur humain jusqu’aux courants alternatifs.
À la base, les modèles de systèmes synchrones doivent décrire deux processus. L’une est la dynamique intérieure d’un individu isolé – dans ce cas, une luciole solitaire dans un bocal, régie par une règle physiologique ou comportementale qui détermine le moment où elle clignote. La seconde est ce que les mathématiciens appellent le couplage, la façon dont l'éclair d'une luciole influence ses voisines. Avec des combinaisons fortuites de ces deux parties, une cacophonie de différents agents peut rapidement se transformer en un chœur soigné.
Dans une description à la Kuramoto, chaque luciole est traitée comme un oscillateur avec un rythme préféré intrinsèque. Imaginez des lucioles comme ayant un pendule caché se balançant régulièrement à l’intérieur d’elles ; imaginez qu'un insecte clignote à chaque fois que son pendule traverse le bas de son arc. Supposons également que voir un flash voisin tire un peu vers l’avant ou vers l’arrière le pendule d’une luciole qui donne le rythme. Même si les lucioles ne sont pas synchronisées les unes par rapport aux autres, ou si leurs rythmes internes préférés varient individuellement, un collectif régi par ces règles convergera souvent vers un schéma de flash coordonné.
Plusieurs variantes de ce schéma général sont apparues au fil des années, chacune modifiant les règles de dynamique interne et de couplage. En 1990, Strogatz et son collègue Rennie Mirollo du Boston College a prouvé qu'un ensemble très simple d'oscillateurs ressemblant à des lucioles se synchroniseraient presque toujours si vous les interconnectiez, quel que soit le nombre d'individus inclus. L'année suivante, Ermentrout décrit comment des groupes de Pteroptyx malaccae les lucioles d’Asie du Sud-Est pourraient se synchroniser en accélérant ou en ralentissant leurs fréquences internes. Pas plus tard qu'en 2018, un groupe dirigé par Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila de l'Université Supérieure de San Andrés en Bolivie a conçu un système plus complexe dans lequel les lucioles alternaient entre un état de « charge » et un état de « décharge » pendant lequel elles clignotaient.
Mais lorsque les caméras de Peleg et Sarfati ont commencé à capturer des données tridimensionnelles à partir de la rafale, puis attendez. Photinus carolinus lucioles dans les Great Smokies en 2019, leurs analyses ont révélé de nouveaux modèles.
L'une d'elles était la confirmation de quelque chose que Faust et d'autres naturalistes des lucioles rapportaient depuis longtemps : une rafale d'éclairs commençait souvent à un endroit et se répercutait ensuite à travers la forêt à environ un demi-mètre par seconde. Les ondulations contagieuses suggéraient que l'accouplement des lucioles n'était ni global (avec l'ensemble de l'essaim connecté) ni purement local (chaque luciole ne se souciant que de ses voisins proches). Au lieu de cela, les lucioles semblaient prêter attention aux autres lucioles à diverses échelles de distance. Cela pourrait être dû au fait que les lucioles ne peuvent voir que les éclairs qui se produisent dans une ligne de vue ininterrompue, a déclaré Sarfati ; dans les forêts, la végétation gêne souvent.
Les vraies lucioles semblent également bafouer le principe de base des modèles à saveur Kuramoto, qui traitent chaque individu comme périodique. Quand Peleg et Sarfati sortaient un single P. carolinus luciole dans une tente, elle émettait des rafales de flashs de manière aléatoire au lieu de suivre un rythme strict. Parfois, cela n’attendait que quelques secondes, d’autres fois quelques minutes. "Cela vous fait déjà sortir de l'univers de tous les modèles existants", a déclaré Strogatz.
Mais une fois que l'équipe a lancé 15 lucioles ou plus, la tente entière s'est éclairée avec des éclairs collectifs espacés d'environ une douzaine de secondes. La synchronie et la périodicité du groupe étaient des produits purement émergents des lucioles qui traînaient ensemble. Dans un brouillon de papier téléchargé sur le serveur de prépublication biorxiv.org au printemps dernier, le groupe Peleg, en collaboration avec le physicien Srividya Iyer-Biswas de l'Université Purdue et du Santa Fe Institute, a suggéré un tout nouveau modèle pour expliquer comment cela pourrait se produire.
Imaginez une luciole isolée qui vient d'émettre une rafale d'éclairs et considérez les règles suivantes. Si vous le séquestrez maintenant, il attendra un intervalle aléatoire avant de clignoter à nouveau. Il existe cependant un temps d’attente minimum dont l’insecte a besoin pour recharger ses organes lumineux. Cette luciole est également sensible à la pression de ses pairs : si elle voit une autre luciole commencer à clignoter, elle clignotera également, aussi longtemps qu'elle le peut physiquement.
Imaginez maintenant tout un champ de lucioles dans l’obscurité silencieuse immédiatement après une explosion. Chacun choisit au hasard un temps d’attente plus long que la période de facturation. Cependant, celui qui clignote en premier incite tous les autres à intervenir immédiatement. L’ensemble de ce processus se répète chaque fois que le champ s’assombrit. À mesure que le nombre de lucioles augmente, il devient de plus en plus probable qu’au moins une d’elles choisisse au hasard de clignoter à nouveau dès que cela est biologiquement possible, ce qui déclenchera les autres. En conséquence, le temps entre les rafales se réduit jusqu'au temps d'attente minimum. Tous les scientifiques regardant cette scène verront ce qui ressemble à un rythme de groupe constant de lumière se déplaçant dans l'obscurité, puis l'obscurité éclatant de lumière.
A deuxième prépublication du groupe Peleg a mis au jour un autre motif exotique. Dans le parc national de Congaree en Caroline du Sud, Peleg a remarqué quelque chose d'étrange lorsque son équipe a entraîné son équipement sur la luciole synchronisatrice. Phototuris frontalis. « Je me souviens avoir vu du coin de l’œil cette petite luciole qui n’était vraiment pas au top. Mais il est toujours ponctuel », a-t-elle déclaré.
L’analyse de l’équipe a montré que même si le chœur principal des lucioles clignotait en rythme, les valeurs aberrantes tenaces refusaient de jouer le jeu. Ils partageaient le même espace et brillaient de leur époque, mais ils étaient en décalage avec la symphonie environnante. Parfois, les valeurs aberrantes semblaient se synchroniser les unes avec les autres ; parfois, ils clignotaient simplement de manière asynchrone. Le groupe de Peleg décrit cela comme un état chimère, une forme de synchronie notée pour la première fois par Kuramoto en 2001 et explorée par Strogatz et le mathématicien. Daniel Abrams de l'Université Northwestern en 2004 sous une forme mathématiquement idéalisée. Quelques rapports de neuroscientifiques prétendent avoir vu ce genre de synchronie chimère dans l’activité des cellules cérébrales dans certaines conditions expérimentales, mais sinon cela n’a pas été observé dans la nature jusqu’à présent.
On ne sait pas encore pourquoi la nature favoriserait l’évolution de cet état de synchronisation hétéroclite plutôt que celui plus uniforme. Mais même la synchronisation de base a toujours posé un mystère évolutif : comment le mélange aide-t-il un mâle à se démarquer auprès d'un partenaire potentiel ? Peleg a suggéré que des études portant sur les modèles de comportement des lucioles femelles et pas seulement sur les mâles pourraient être informatives. Son groupe a commencé à le faire avec le P. carolinus lucioles mais pas encore avec les chimères P. frontalis espèces.
Informatique autour des bugs éclair
Pour les modélisateurs, la course est désormais lancée pour encapsuler les modèles de lucioles observés dans des cadres nouveaux et améliorés. Ermentrout a un article en cours de révision qui propose une description mathématique différente de Photinus carolinus: Supposons qu'au lieu d'attendre un temps purement aléatoire au-delà du minimum obligatoire pour recharger, les bugs ne soient que des oscillateurs bruyants et irréguliers ? Les lucioles pourraient alors commencer à agir comme des clignotants proprement périodiques seulement lorsqu'elles sont rassemblées. Dans les simulations informatiques, ce modèle correspond également aux données du groupe Peleg. "Même si nous ne l'avons pas programmé, des choses comme les vagues émergent", a déclaré Ermentrout.
Le système peu coûteux de caméra et d’algorithme de Peleg et Sarfati pourrait grandement contribuer à faire progresser – et à démocratiser – la recherche sur les lucioles, affirment les biologistes. Les lucioles sont difficiles à étudier dans la nature, car distinguer les espèces par leurs éclairs est difficile pour tous, sauf pour les chercheurs les plus dévoués et les amateurs inconditionnels. Cela rend difficile la mesure de l’aire de répartition et de l’abondance des populations de lucioles, même si l’on craint de plus en plus que de nombreuses espèces de punaises de foudre soient en voie d’extinction. La nouvelle configuration peut faciliter la collecte, l’analyse et le partage des données clignotantes des lucioles.
En 2021, Sarfati a utilisé le système pour confirmer un rapport de l'Arizona selon lequel les espèces locales Photinus knulli peut se synchroniser lorsqu'un nombre suffisant de lucioles se rassemblent. Cette année, le laboratoire de Peleg a envoyé 10 copies du système de caméra à des chercheurs sur les lucioles partout aux États-Unis. Ils collectent désormais les données des spectacles de lumière produits l'été dernier par huit espèces. Dans le but de renforcer les efforts de conservation, un groupe de chercheurs en apprentissage automatique au sein du laboratoire Peleg tente de former un algorithme pour identifier les espèces à partir des modèles de flash dans les images enregistrées.
Les modèles caricaturaux de lucioles ont inspiré la théorie mathématique pendant des décennies ; Peleg espère que les vérités plus nuancées qui émergent actuellement auront les mêmes conséquences.
Moiseff partage cet espoir. Les lucioles « faisaient de l’informatique bien avant même que nous existions », a-t-il déclaré. Apprendre comment ils se synchronisent pourrait également conduire à une meilleure compréhension des comportements auto-organisés chez d’autres êtres vivants.
Note de la rédaction: Steven Strogatz est l'hôte de Quanta's Joie du pourquoi podcast et membre de Quantaconseil consultatif de.
