A japán néphagyományban az eltávozó lelkeket vagy a néma, buzgó szerelmet szimbolizálják. A perui Andok egyes bennszülött kultúrái a szellemek szemének tekintik őket. Különböző nyugati kultúrákban pedig a szentjánosbogarak, világító férgek és más biolumineszcens bogarak a metaforikus asszociációk káprázatos és időnként egymásnak ellentmondó tárházához kapcsolódnak: „gyermekkor, termés, végzet, elfek, félelem, élőhelyváltás, idill, szerelem, szerencse, a halandóság, a prostitúció, a napforduló, a csillagok, a szavak és a megismerés mulandósága” – ahogy egy 2016-os áttekintés megjegyezte.
A fizikusok olyan misztikusnak tűnő okokból tisztelik a szentjánosbogarakot: a világon szétszórtan körülbelül 2,200 faj közül egy maroknyi rendelkezik azzal a dokumentált képességgel, hogy szinkronban villogjon. Malajziában és Thaiföldön a szentjánosbogárral teletűzdelt mangrovefák úgy pisloghatnak, mintha karácsonyi fényekkel lennének felfűzve; Appalachiában minden nyáron a kísérteties összhang hullámai hullámzik a mezőkön és erdőkön. A szentjánosbogarak fényei csalogatják a társakat és a városnézők tömegeit, de segítettek néhány legalapvetőbb kísérletet is beindítani a szinkronizálás magyarázatára, arra az alkímiára, amellyel a bonyolult koordináció még nagyon egyszerű részekből is kirajzolódik.
Orit Peleg emlékszik, amikor fizikát és számítástechnikát tanult egyetemistaként először találkozott a szinkron szentjánosbogarak rejtélyével. A szentjánosbogarak példájaként mutatták be, hogyan érik el az egyszerű rendszerek a szinkront Nemlineáris dinamika és káosz, a matematikus tankönyve Steven Strogatz amit az osztálya használt. Peleg még soha nem látott szentjánosbogárt, mivel Izraelben, ahol nőtt fel, ritkák.
„Annyira gyönyörű, hogy valahogy sok-sok évre megragadt a fejemben” – mondta. De mire Peleg elindította saját laboratóriumát, a Coloradói Egyetemen és a Santa Fe Intézetben számítástechnikai megközelítéseket alkalmazva a biológiában, megtanulta, hogy bár a szentjánosbogarak sok matematikát inspiráltak, a rovarok tényleges tevékenységét leíró kvantitatív adatok szűkös.
Elhatározta, hogy megjavítja. Az elmúlt két évben Peleg csoportjának egy sor tanulmánya egy tűzoltótömlőt nyitott meg valós adatokkal a több szentjánosbogárfaj szinkronizálásáról több vizsgálati helyszínen, és sokkal nagyobb felbontásban, mint a korábbi modellezők vagy biológusok. „Elég megdöbbentő” – mondja a matematikus biológus Bard Ermentrout a Pittsburghi Egyetemen ismertette a csapat eredményeit Quanta. „El voltam ragadtatva” – mondta Andrew Moiseff, a Connecticuti Egyetem biológusa.
Ezek a tanulmányok azt mutatják, hogy a valódi szentjánosbogár-rajok eltérnek azoktól a matematikai idealizációktól, amelyek évtizedeken át röpködtek a folyóiratokban és a tankönyvekben. Például szinte minden szentjánosbogár-szinkron modell, amelyet valaha is kitaláltak, feltételezi, hogy minden szentjánosbogár fenntartja a saját belső metronómját. Egy előnyomat, hogy Peleg csoportja márciusban tette közzéazonban kimutatta, hogy legalább egy fajnál az egyes szentjánosbogarak nem rendelkeznek belső ritmussal, és azt feltételezte, hogy a kollektív ütem csak a sok villámbogarak kísérteties szinergiájából jön létre. An még újabb előnyomat, először májusban töltötték fel és múlt héten frissítették, dokumentált a a szinkron ritka típusa amit a matematikusok kiméra állapotnak neveznek, aminek megvan szinte soha nem figyelték meg a való világban a kiagyalt kísérleteken kívül.
A szentjánosbogarak biológusai remélik, hogy az új módszerek átformálják a szentjánosbogarak tudományát és megőrzését. A szinkronelméleteket kidolgozó matematikusok, mint amilyeneket Strogatz a tankönyvében írt le, eközben már régóta modelleznek anélkül, hogy sok kísérleti visszajelzést kaptak volna a rendetlen valós szinkronizálóktól. „Ez a nagy áttörés” – mondta Strogatz, a Cornell Egyetem matematikaprofesszora. "Most elkezdhetjük lezárni a hurkot."
A szinkron megfoghatatlan bizonyítéka
A Délkelet-Ázsiában egyhangúan lobogó szentjánosbogarakról szóló jelentések évszázadokon át visszaszűrődtek a nyugati tudományos diskurzusba. Szentjánosbogarak ezrei, hívják kelip-kelip Malajziában – a nevük egyfajta vizuális névkönyv a csillogásukra – megtelepedhet a folyóparti fákon. „Lángol a fényük, és a közös együttérzés kioltja” – mondta egy brit diplomata Thaiföldön. írta az 1857-ban. "Egy pillanatban minden levél és ág gyémántszerű tűzzel van díszítve."
Nem mindenki fogadta el ezeket a jelentéseket. „Az, hogy ilyesmi előforduljon rovarok között, minden természeti törvénnyel ellentétes” – áll a folyóiratban megjelent levélben Tudomány panaszkodott 1917-ben, azzal érvelve, hogy a látszólagos hatást inkább a néző akaratlan pislogása okozta. Mégis az 1960-as években a látogató szentjánosbogár-kutatók kvantitatív elemzéssel megerősítették azt, amit a mangrove-mocsarak helyi hajósai régóta tudtak.
Hasonló forgatókönyv játszódott le az 1990-es években, amikor egy tennessee-i természettudós nevezett Lynn Faust nevű tudós magabiztosan publikált állítását olvassa el Jon Copeland hogy Észak-Amerikában nem voltak szinkron szentjánosbogarak. Faust ekkor tudta, hogy amit évtizedek óta néz a közeli erdőben, az valami figyelemre méltó.
Faust meghívta Copelandet és Moiseffet, munkatársát, hogy nézzenek meg egy fajt a Nagy Füstös-hegységben, ún. Photinus carolinus. A hím szentjánosbogarak felhői betöltik az erdőket és a tisztásokat, mintegy embermagasságban lebegve. Ahelyett, hogy szorosan összehangoltan pislognának, ezek a szentjánosbogarak néhány másodpercen belül gyors villanásokat bocsátanak ki, majd ennek többszörösére elhallgatnak, mielőtt újabb sorozatot veszítenének. (Képzelje el a paparazzik tömegét, akik rendszeres időközönként arra várnak, hogy hírességek megjelenjenek, és minden megjelenés alkalmával fényképeket készítenek, majd az állásidőben pörgetik a hüvelykujjukat.)
Copeland és Moiseff kísérletei kimutatták, hogy elszigetelt P. carolinus A szentjánosbogarak valóban megpróbáltak villogni egy szomszédos szentjánosbogárral – vagy egy villogó LED-del – egy közeli üvegben. A csapat emellett nagy érzékenységű videokamerákat állított fel a szántóföldek és erdei tisztások szélein a villanások rögzítésére. Copeland kockánként végigjárta a felvételt, és megszámolta, hány szentjánosbogár világított meg minden pillanatban. A gondosan összegyűjtött adatok statisztikai elemzése bebizonyította, hogy egy jelenetnél a kamerák látóterében lévő összes szentjánosbogarak rendszeres, korrelált időközönként vakukitöréseket bocsátottak ki.
Két évtizeddel később, amikor Peleg és posztdoktora, a fizikus Raphaël Sarfati, a szentjánosbogár adatok gyűjtését tűzte ki célul, jobb technológia állt rendelkezésre. Két, egymástól néhány lábnyira elhelyezett GoPro kamerából álló rendszert terveztek. Mivel a kamerák 360 fokos videót készítettek, nem csak oldalról, hanem belülről is meg tudták rögzíteni a szentjánosbogár-raj dinamikáját. Ahelyett, hogy kézzel számolta volna a villanásokat, Sarfati olyan feldolgozási algoritmusokat dolgozott ki, amelyek képesek voltak háromszögelést végezni a két kamera által elkapott szentjánosbogár vakukon, és nem csak a pislogás időpontját rögzítik, hanem azt is, hogy hol történt a háromdimenziós térben.
Sarfati először 2019 júniusában hozta be ezt a rendszert Tennessee-ben P. carolinus szentjánosbogarak, amelyeket Faust tett híressé. Ez volt az első alkalom, hogy saját szemével látta a látványt. Valami olyasmit képzelt el, mint a szentjánosbogár-szinkron szűk jelenetei Ázsiából, de a Tennessee-i sorozatok zűrzavarosabbak voltak, és nagyjából 12 másodpercenként megismétlődött a nyolc gyors villanás négy másodperc alatt. Mégis izgalmas volt ez a rendetlenség: fizikusként úgy érezte, hogy egy vad ingadozású rendszer sokkal informatívabb lehet, mint egy tökéletesen viselkedő rendszer. „Bonyolult volt, bizonyos értelemben zavaró, de egyben gyönyörű is” – mondta.
Véletlenszerű, de szimpatikus villogók
A szentjánosbogarak szinkronizálásával végzett egyetemi ecsetében Peleg először egy japán fizikus által javasolt modellen keresztül tanulta meg megérteni őket. Yoshiki Kuramoto. Ez a szinkron ur-modellje, a matematikai sémák nagypapája, amely megmagyarázza, hogyan keletkezhet szinkron – gyakran feltartóztathatatlanul – bármiben, az emberi szívben lévő pacemakersejtek csoportjaitól a váltakozó áramokig.
A szinkron rendszerek modelljeinek legalapvetőbben két folyamatot kell leírniuk. Az egyik egy elszigetelt egyed belső dinamikája – ebben az esetben egy magányos szentjánosbogár egy tégelyben, amelyet egy fiziológiai vagy viselkedési szabály szabályoz, amely meghatározza, hogy mikor villan. A második az, amit a matematikusok csatolásnak neveznek, ahogyan egy szentjánosbogár villanása hatással van a szomszédaira. E két rész véletlenszerű kombinációjával a különböző ágensek kakofóniája gyorsan szép kórussá alakíthatja magát.
A Kuramoto-szerű leírásban minden egyes szentjánosbogárt oszcillátorként kezelnek, amelynek belső preferált ritmusa van. Képzeld el a szentjánosbogarakról, hogy egy rejtett inga lendül folyamatosan bennük; képzeld el, hogy egy bogár minden alkalommal felvillan, amikor az inga végigsöpör az íve alján. Tegyük fel azt is, hogy a szomszédos villanás láttán egy szentjánosbogár tempóbeállító ingáját egy kicsit előre vagy hátra rántja. Még akkor is, ha a szentjánosbogarak nem szinkronban indulnak el egymással, vagy a preferált belső ritmusuk egyénileg változik, az e szabályok által szabályozott kollektíva gyakran egy összehangolt villanási mintázat szerint konvergál.
Ennek az általános sémának számos változata jelent meg az évek során, amelyek mindegyike a belső dinamika és a csatolás szabályait módosította. 1990-ben Strogatz és kollégája Rennie Mirollo A Boston College bebizonyította, hogy egy nagyon egyszerű szentjánosbogár-szerű oszcillátorkészlet szinte mindig szinkronizál, ha összekapcsolja őket, függetlenül attól, hogy hány személyt tartalmaz. A következő évben Ermentrout leírta, hogyan csoportok a Pteroptyx malaccae a délkelet-ázsiai szentjánosbogarak belső frekvenciáik felgyorsításával vagy lelassításával szinkronizálhatnak. Még 2018-ban egy csoport vezette Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila A bolíviai San Andrés Egyetem munkatársa egy bonyolultabb sémát dolgozott ki, amelyben a szentjánosbogarak oda-vissza váltottak a „töltés” és a „kisütés” állapot között, amely alatt villognak.
De amikor Peleg és Sarfati kamerái elkezdték rögzíteni a háromdimenziós adatokat a sorozatban, akkor várj Photinus carolinus szentjánosbogarak a Great Smokiesban 2019-ben, elemzéseik új mintákat tártak fel.
Az egyik megerősített valamit, amiről Faust és más szentjánosbogár-természettudósok már régóta beszámoltak: a felvillanások gyakran egy helyről indultak ki, majd másodpercenként körülbelül fél méteres sebességgel özönlöttek át az erdőn. A fertőző hullámok azt sugallták, hogy a szentjánosbogarak párkapcsolata nem globális (a teljes raj összekötött), és nem is pusztán lokális (minden szentjánosbogár csak a közeli szomszédokkal törődik). Ehelyett úgy tűnt, hogy a szentjánosbogarak különböző távolsági skálák mellett más szentjánosbogarakra figyeltek. Ennek az lehet az oka, hogy a szentjánosbogarak csak olyan villanásokat látnak, amelyek szakadatlan látótávolságon belül fordulnak elő, mondta Sarfati; az erdőkben gyakran a növényzet akadályozza.
Úgy tűnik, hogy a valódi szentjánosbogarak figyelmen kívül hagyják a Kuramoto-ízű modellek alapfeltevését, amelyek minden egyedet időszakosnak tekintenek. Amikor Peleg és Sarfati kiadott egy kislemezt P. carolinus szentjánosbogár egy sátorban, véletlenszerűen sugárzott kivillanásokat ahelyett, hogy szigorú ritmust követett volna. Néha csak néhány másodpercet várt, máskor néhány percet. „Ez már kivezet az összes létező modell univerzumából” – mondta Strogatz.
Ám amint a csapat 15 vagy több szentjánosbogarat dobott be, az egész sátor kigyulladt csoportos villanásokkal, amelyek körülbelül egy tucat másodpercnyi távolságra voltak egymástól. A szinkron és a csoportos periodicitás az együtt lógó szentjánosbogarak tisztán felbukkanó termékei voltak. Ban ben egy papírtervezetet Tavaly tavasszal töltötte fel a biorxiv.org preprint szerverre, a Peleg csoport a fizikussal együttműködve Srividya Iyer-Biswas A Purdue Egyetem és a Santa Fe Intézet egy vadonatúj modellt javasolt arra vonatkozóan, hogyan történhet ez meg.
Képzeljen el egy elszigetelt szentjánosbogárt, amely éppen most villan fel, és vegye figyelembe a következő szabályokat. Ha most lefoglalja, vár egy véletlenszerű intervallumot, mielőtt újra felvillan. Van azonban egy minimális várakozási idő, amelyre a rovarnak szüksége van a fényszervei feltöltéséhez. Ez a szentjánosbogár érzékeny a társak nyomására is: Ha azt látja, hogy egy másik szentjánosbogár villogni kezd, az is villogni fog, amíg fizikailag tud.
Most képzelje el a szentjánosbogarak egész mezőjét a csendes sötétségben, közvetlenül a kitörés után. Mindegyik véletlenszerűen választ ki egy, a töltési időszaknál hosszabb várakozási időt. Aki viszont először villan fel, az összes többit azonnali ugrásra ösztönzi. Ez az egész folyamat megismétlődik minden alkalommal, amikor a mező elsötétül. A szentjánosbogarak számának növekedésével egyre valószínűbb, hogy legalább egy véletlenszerűen újra villog, amint ez biológiailag lehetséges, és ez elindítja a többit. Ennek eredményeként a sorozatok közötti idő a minimális várakozási idő felé rövidül. Bármely tudós, aki bámulja ezt a jelenetet, látni fogja azt, ami úgy néz ki, mint egy egyenletes csoportos fényritmus, amely a sötétségbe gördül, majd a sötétség fénnyel tör ki.
A második előnyomat a Peleg csoport egy újabb egzotikus mintát tárt fel. A dél-karolinai Congaree Nemzeti Parkban Peleg valami különöset vett észre, amikor csapata a szinkronizáló szentjánosbogárra oktatta felszerelését. Photuris frontalis. „Emlékszem, a szemem sarkából láttam, hogy van ez a kis szentjánosbogár, ami tényleg nincs beat. De még mindig pontos” – mondta.
A csapat elemzése azt mutatta, hogy míg a szentjánosbogarak főkórusa ritmusban villogott, a makacs szélsőségesek nem voltak hajlandók együtt játszani. Ugyanazon a téren osztoztak, és felvillantak a saját korszakukkal, de nem voltak fázisban a környező szimfóniával. Néha úgy tűnt, hogy a kiugró értékek szinkronizálódnak egymással; néha csak aszinkronban villogtak. Peleg csoportja ezt kiméra állapotként írja le, a szinkron egyik formája, amelyet először Kuramoto jegyez fel 2001-ben, és Strogatz és a matematikus vizsgálta meg. Daniel Abrams a Northwestern Egyetemen 2004-ben matematikailag idealizált formában. Néhány idegtudósok jelentései azt állítják, hogy bizonyos kísérleti körülmények között észlelték ezt a fajta kiméra szinkront az agysejtek aktivitásában, de egyébként ezt a természetben eddig nem figyelték meg.
Egyelőre nem világos, hogy a természet miért részesíti előnyben a szinkronizált szinkron állapotának e zavaros állapotának kialakulását az egységesebb állapot helyett. De még az alapvető szinkron is mindig egy evolúciós rejtélyt rejtett magában: Hogyan segít a keveredés egy hímnek kitűnni a potenciális társ számára? Peleg felvetette, hogy a nőstény szentjánosbogarak viselkedési mintáira, és nem csak a hímekre vonatkozó tanulmányok informatívak lehetnek. Csoportja elkezdte ezt csinálni a P. carolinus szentjánosbogarak, de még nem a kimérára hajlamosak P. frontalis faj.
Lightning-Bug számítástechnika
A modellezők számára most folyik a verseny, hogy a megfigyelt szentjánosbogár-mintákat új és továbbfejlesztett keretekbe foglalják. Ermentroutnak van egy tanulmánya, amely más matematikai leírást kínál Photinus carolinus: Tegyük fel, hogy ahelyett, hogy pusztán véletlenszerűen várnánk a kötelező minimumon túl, a hibák csak zajos, szabálytalan oszcillátorok? A szentjánosbogarak ekkor csak akkor kezdenek el szépen időnként villogóként viselkedni, ha összegyűlnek. Számítógépes szimulációkban ez a modell megegyezik a Peleg-csoport adataival is. „Annak ellenére, hogy nem programoztuk be, olyan dolgok jelennek meg, mint a hullámok” – mondta Ermentrout.
A biológusok szerint Peleg és Sarfati olcsó kamera- és algoritmusrendszere nagyban segítheti a szentjánosbogár-kutatás előrehaladását és demokratizálását. A szentjánosbogarakat nehéz természetben tanulmányozni, mert a fajokat a villanásuk alapján nehéz megkülönböztetni a legelhivatottabb kutatók és hobbibarátok kivételével. Ez még akkor is kihívást jelent a szentjánosbogár-populációk elterjedési és egyedszámának mérésére, amikor egyre nagyobb a félelem, hogy sok villámbogarakfaj a kihalás felé halad. Az új beállítás megkönnyítheti a szentjánosbogár-villogó adatok gyűjtését, elemzését és megosztását.
2021-ben Sarfati a rendszer segítségével megerősítette azt az arizonai jelentést, amely szerint a helyi fajok Photinus knulli szinkronizálható, ha elegendő szentjánosbogár gyűlik össze. Idén Peleg laboratóriuma 10 példányt küldött a kamerarendszerből a szentjánosbogár-kutatóknak az Egyesült Államokban. Most gyűjtik be az elmúlt nyáron nyolc faj által készített fényshow-k adatait. A védelmi erőfeszítések fellendítése érdekében a Peleg laboratórium gépi tanulással foglalkozó kutatóinak egy csoportja megpróbál egy algoritmust kiképezni, hogy azonosítsa a fajokat a felvett felvételen látható villanási minták alapján.
A szentjánosbogarak rajzfilmszerű modelljei évtizedeken át ihlették a matematikai elméletet; Peleg reméli, hogy a most feltáruló árnyaltabb igazságok hasonló következményekkel járnak majd.
Moiseff osztja ezt a reményt. A szentjánosbogarak „jól végeztek számítástechnikát, mielőtt még léteztünk volna” – mondta. A szinkronizálás megtanulása más élőlények önszerveződő viselkedésének jobb megértéséhez is vezethet.
A szerkesztő megjegyzése: Steven Strogatz a házigazda Quanta'S Joy of Why podcast és tagja Quantatanácsadó testülete.
