Dalam tradisi rakyat Jepang, mereka melambangkan jiwa yang pergi atau cinta yang diam dan bersemangat. Beberapa budaya Pribumi di Andes Peru memandang mereka sebagai mata hantu. Dan di berbagai budaya Barat, kunang-kunang, cacing bercahaya, dan kumbang bercahaya lainnya telah dikaitkan dengan serangkaian asosiasi metaforis yang mempesona dan terkadang kontradiktif: “masa kanak-kanak, panen, malapetaka, peri, ketakutan, perubahan habitat, indah, cinta, keberuntungan, kematian, pelacuran, titik balik matahari, bintang, dan kata-kata dan kognisi yang cepat berlalu,” seperti yang dicatat oleh sebuah ulasan tahun 2016.
Fisikawan memuja kunang-kunang karena alasan yang mungkin tampak mistis: Dari sekitar 2,200 spesies yang tersebar di seluruh dunia, segelintir memiliki kemampuan yang terdokumentasi untuk berkedip secara sinkron. Di Malaysia dan Thailand, pohon bakau bertabur kunang-kunang dapat berkedip-kedip seolah-olah digantung dengan lampu Natal; setiap musim panas di Appalachia, gelombang konkordansi menakutkan riak melintasi ladang dan hutan. Cahaya kunang-kunang menunjukkan pasangan yang memikat dan kerumunan pelancong manusia, tetapi mereka juga telah membantu memicu beberapa upaya paling mendasar untuk menjelaskan sinkronisasi, alkimia yang dengannya koordinasi rumit muncul bahkan dari bagian individu yang sangat sederhana.
Orit Peleg ingat ketika dia pertama kali menemukan misteri kunang-kunang sinkron sebagai sarjana yang mempelajari fisika dan ilmu komputer. Kunang-kunang disajikan sebagai contoh bagaimana sistem sederhana mencapai sinkronisasi dalam Dinamika Nonlinier dan Kekacauan, buku teks oleh ahli matematika Steven Strogatz yang digunakan kelasnya. Peleg bahkan belum pernah melihat kunang-kunang, karena mereka tidak biasa di Israel, tempat dia dibesarkan.
“Sangat indah sehingga entah bagaimana menempel di kepala saya selama bertahun-tahun,” katanya. Tetapi pada saat Peleg memulai labnya sendiri, menerapkan pendekatan komputasi untuk biologi di Universitas Colorado dan di Institut Santa Fe, dia telah mengetahui bahwa meskipun kunang-kunang telah mengilhami banyak matematika, data kuantitatif yang menggambarkan apa yang sebenarnya dilakukan serangga adalah sedikit.
Dia berangkat untuk memperbaikinya. Dalam dua tahun terakhir, serangkaian makalah dari kelompok Peleg telah membuka selang api data dunia nyata tentang sinkroni dalam beberapa spesies kunang-kunang di beberapa lokasi penelitian, dan pada resolusi yang jauh lebih tinggi daripada yang berhasil dilakukan oleh pemodel atau ahli biologi sebelumnya. "Cukup mencengangkan" adalah bagaimana ahli biologi matematika Penyair Ermentrout di University of Pittsburgh menjelaskan hasil tim untuk Quanta. "Aku terpesona," kata Andrew Moiseff, seorang ahli biologi di University of Connecticut.
Makalah ini menetapkan bahwa kawanan kunang-kunang nyata berangkat dari idealisasi matematika yang melintas melalui jurnal dan buku teks selama beberapa dekade. Hampir setiap model untuk sinkroni kunang-kunang yang pernah dibuat, misalnya, mengasumsikan bahwa setiap kunang-kunang mempertahankan metronom internalnya sendiri. Sebuah pracetak bahwa kelompok Peleg itu diposting pada bulan Maret, bagaimanapun, menunjukkan bahwa dalam setidaknya satu spesies, kunang-kunang individu tidak memiliki ritme intrinsik, dan mengemukakan bahwa ketukan kolektif hanya muncul dari sinergi menakutkan dari banyak serangga petir yang berkumpul bersama. Sebuah bahkan pracetak yang lebih baru, pertama kali diunggah pada bulan Mei dan diperbarui minggu lalu, didokumentasikan sebagai jenis sinkroni yang langka yang oleh ahli matematika disebut keadaan chimera, yang memiliki hampir tidak pernah diamati di dunia nyata di luar eksperimen yang dibuat-buat.
Ahli biologi kunang-kunang berharap metode baru ini akan membentuk kembali ilmu pengetahuan dan konservasi kunang-kunang. Sementara itu, matematikawan yang mengembangkan teori sinkroni seperti yang dijelaskan Strogatz dalam buku teksnya, telah lama membuat model tanpa banyak umpan balik eksperimental dari sinkronisasi dunia nyata yang berantakan. "Itu terobosan besar," kata Strogatz, seorang profesor matematika di Cornell University. "Sekarang kita bisa mulai menutup loop."
Bukti Sinkronisasi yang Sulit dipahami
Laporan tentang kunang-kunang yang berkobar serempak di Asia Tenggara disaring kembali ke wacana ilmiah Barat selama berabad-abad. Ribuan kunang-kunang, disebut kelip-kelip di Malaysia — nama mereka adalah semacam onomatopoeia visual untuk kedipan mereka — dapat menetap di pepohonan tepi sungai. “Cahaya mereka berkobar dan padam oleh simpati bersama,” seorang diplomat Inggris berkeliling Thailand tulis di 1857. “Pada suatu saat setiap daun dan cabang muncul dihiasi dengan api seperti berlian.”
Tidak semua orang menerima laporan ini. “Untuk hal seperti itu terjadi di antara serangga tentu saja bertentangan dengan semua hukum alam,” satu surat untuk jurnal Ilmu mengeluh pada tahun 1917, dengan alasan bahwa efek yang tampak justru disebabkan oleh kedipan mata penonton yang tidak disengaja. Namun pada tahun 1960-an, para peneliti kunang-kunang yang berkunjung mengkonfirmasi melalui analisis kuantitatif apa yang telah lama diketahui oleh tukang perahu lokal di rawa bakau.
Skenario serupa terjadi pada 1990-an, ketika seorang naturalis Tennessee bernama Lynn Faust baca pernyataan percaya diri yang diterbitkan dari seorang ilmuwan bernama Jon Copeland bahwa tidak ada kunang-kunang yang sinkron di Amerika Utara. Faust kemudian tahu bahwa apa yang telah dia tonton selama beberapa dekade di hutan terdekat adalah sesuatu yang luar biasa.
Faust mengundang Copeland dan Moiseff, kolaboratornya, untuk melihat spesies di Pegunungan Great Smoky yang disebut Photinus carolinus. Awan kunang-kunang jantan memenuhi hutan dan tempat terbuka, mengambang setinggi manusia. Alih-alih berkedip dalam koordinasi yang ketat, kunang-kunang ini memancarkan ledakan kilatan cepat dalam beberapa detik, lalu diam beberapa kali selama itu sebelum kehilangan ledakan lainnya. (Bayangkan kerumunan paparazzi menunggu selebritas untuk muncul secara berkala, memotret salvo foto di setiap penampilan, dan kemudian memutar-mutar ibu jari mereka di waktu senggang.)
Eksperimen Copeland dan Moiseff menunjukkan bahwa terisolasi P.carolinus kunang-kunang benar-benar mencoba berkedip sesuai irama dengan kunang-kunang tetangga — atau LED yang berkedip — di stoples terdekat. Tim juga memasang kamera video sensitivitas tinggi di tepi ladang dan pembukaan hutan untuk merekam kilatan. Copeland menelusuri rekaman bingkai demi bingkai, menghitung berapa banyak kunang-kunang yang diterangi setiap saat. Analisis statistik dari data yang dikumpulkan dengan susah payah ini membuktikan bahwa semua kunang-kunang dalam pandangan kamera pada suatu pemandangan benar-benar memancarkan semburan blitz pada interval yang teratur dan berkorelasi.
Dua dekade kemudian, ketika Peleg dan pascadoktoralnya, fisikawan Raphael Sarfati, berangkat untuk mengumpulkan data kunang-kunang, teknologi yang lebih baik tersedia. Mereka merancang sistem dua kamera GoPro yang ditempatkan terpisah beberapa kaki. Karena kamera mengambil video 360 derajat, mereka dapat menangkap dinamika kawanan kunang-kunang dari dalam, tidak hanya dari samping. Alih-alih menghitung kilatan dengan tangan, Sarfati merancang algoritma pemrosesan yang dapat melakukan triangulasi kilatan kunang-kunang yang ditangkap oleh kedua kamera dan kemudian merekam tidak hanya ketika setiap kedipan terjadi tetapi di mana itu terjadi dalam ruang tiga dimensi.
Sarfati pertama kali membawa sistem ini ke lapangan di Tennessee pada Juni 2019 untuk P.carolinus kunang-kunang yang dibuat Faust menjadi terkenal. Ini adalah pertama kalinya dia melihat tontonan dengan matanya sendiri. Dia telah membayangkan sesuatu seperti adegan ketat sinkron kunang-kunang dari Asia, tetapi ledakan Tennessee lebih berantakan, dengan ledakan hingga delapan kilatan cepat selama sekitar empat detik diulang kira-kira setiap 12 detik. Namun kekacauan itu menarik: Sebagai seorang fisikawan, dia merasa bahwa sistem dengan fluktuasi liar terbukti jauh lebih informatif daripada sistem yang berperilaku sempurna. “Itu rumit, membingungkan dalam arti tertentu, tetapi juga indah,” katanya.
Flasher Acak tapi Simpatik
Dalam sikat sarjananya dengan menyinkronkan kunang-kunang, Peleg pertama kali belajar memahaminya melalui model yang diusulkan oleh fisikawan Jepang Yoshiki Kuramoto. Ini adalah model sinkroni, nenek moyang skema matematika yang menjelaskan bagaimana sinkroni dapat muncul, sering kali tak terhindarkan, dalam segala hal mulai dari kelompok sel alat pacu jantung di hati manusia hingga arus bolak-balik.
Pada dasarnya, model sistem sinkron perlu menggambarkan dua proses. Salah satunya adalah dinamika batin individu yang terisolasi — dalam hal ini kunang-kunang sendirian di dalam toples, diatur oleh aturan fisiologis atau perilaku yang menentukan kapan ia berkedip. Yang kedua adalah apa yang disebut ahli matematika sebagai kopling, cara kilatan satu kunang-kunang mempengaruhi tetangganya. Dengan kombinasi kebetulan dari dua bagian ini, hiruk-pikuk agen yang berbeda dapat dengan cepat menarik dirinya menjadi paduan suara yang rapi.
Dalam deskripsi Kuramoto-esque, setiap individu kunang-kunang diperlakukan sebagai osilator dengan ritme intrinsik yang disukai. Bayangkan kunang-kunang memiliki pendulum tersembunyi yang berayun stabil di dalamnya; bayangkan seekor serangga berkedip setiap kali pendulumnya menyapu bagian bawah busurnya. Anggap juga bahwa melihat kilatan cahaya di sebelahnya menarik pendulum pengatur kecepatan kunang-kunang sedikit ke depan atau ke belakang. Bahkan jika kunang-kunang mulai tidak sinkron satu sama lain, atau ritme internal yang mereka sukai bervariasi secara individual, kolektif yang diatur oleh aturan ini akan sering bertemu pada pola kilatan yang terkoordinasi.
Beberapa variasi pada skema umum ini telah muncul selama bertahun-tahun, masing-masing mengubah aturan dinamika internal dan kopling. Pada tahun 1990, Strogatz dan rekannya Rennie Mirollo dari Boston College membuktikan bahwa seperangkat osilator mirip kunang-kunang yang sangat sederhana akan hampir selalu disinkronkan jika Anda menghubungkannya, tidak peduli berapa banyak individu yang Anda sertakan. Tahun berikutnya, Ermentrout menggambarkan bagaimana kelompok-kelompok Pteroptyx malacae kunang-kunang di Asia Tenggara dapat melakukan sinkronisasi dengan mempercepat atau memperlambat frekuensi internal mereka. Baru-baru ini pada tahun 2018, sebuah kelompok yang dipimpin oleh Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila dari Universitas Tinggi San Andrés di Bolivia merancang skema yang lebih rumit di mana kunang-kunang beralih bolak-balik antara keadaan "mengisi" dan keadaan "mengosongkan" selama mereka berkedip.
Tetapi ketika kamera Peleg dan Sarfati mulai menangkap data tiga dimensi dari ledakan-lalu-tunggu Photinus carolinus kunang-kunang di Great Smokies pada 2019, analisis mereka mengungkapkan pola baru.
Salah satunya adalah konfirmasi dari sesuatu yang telah lama dilaporkan oleh Faust dan naturalis kunang-kunang lainnya: Semburan kilatan sering kali dimulai di satu tempat dan kemudian mengalir melalui hutan dengan kecepatan sekitar setengah meter per detik. Riak menular menunjukkan bahwa kopling kunang-kunang tidak global (dengan seluruh gerombolan terhubung) atau murni lokal (dengan masing-masing kunang-kunang hanya peduli tetangga dekat). Sebaliknya, kunang-kunang tampaknya memperhatikan kunang-kunang lain pada skala jarak yang beragam. Ini bisa jadi karena kunang-kunang hanya bisa melihat kilatan yang terjadi dalam jarak pandang yang tak terputus, kata Sarfati; di hutan, vegetasi sering menghalangi.
Kunang-kunang nyata juga tampaknya melanggar premis inti model rasa Kuramoto, yang memperlakukan setiap individu secara periodik. Saat Peleg dan Sarfati merilis single P.carolinus kunang-kunang di tenda, itu memancarkan semburan kilatan secara acak alih-alih mengikuti ritme yang ketat. Terkadang menunggu hanya beberapa detik, terkadang beberapa menit. "Itu sudah membawa Anda keluar dari alam semesta semua model yang ada," kata Strogatz.
Tapi begitu tim membuang 15 kunang-kunang atau lebih, seluruh tenda menyala dengan ledakan kilat kolektif yang berjarak sekitar selusin detik. Sinkronisasi dan periodisitas kelompok adalah produk yang muncul dari kunang-kunang yang berkumpul bersama. Di sebuah kertas draf diunggah ke server pracetak biorxiv.org musim semi lalu, grup Peleg, bekerja dengan fisikawan Srividya Iyer-Biswas dari Universitas Purdue dan Institut Santa Fe, menyarankan model baru bagaimana ini bisa terjadi.
Bayangkan kunang-kunang terisolasi yang baru saja mengeluarkan ledakan kilat, dan pertimbangkan aturan berikut. Jika Anda mengasingkannya sekarang, itu akan menunggu interval acak sebelum berkedip lagi. Namun demikian, ada waktu tunggu minimum yang dibutuhkan serangga untuk mengisi ulang organ-organ cahayanya. Kunang-kunang ini juga rentan terhadap tekanan teman sebaya: Jika ia melihat kunang-kunang lain mulai berkedip, ia juga akan berkedip, selama ia bisa secara fisik.
Sekarang bayangkan seluruh bidang kunang-kunang dalam kegelapan yang tenang segera setelah ledakan. Masing-masing memilih waktu tunggu acak lebih lama dari periode pengisian. Siapa pun yang berkedip lebih dulu, menginspirasi semua yang lain untuk segera melompat. Seluruh proses ini berulang setiap kali bidang menjadi gelap. Seiring bertambahnya jumlah kunang-kunang, semakin besar kemungkinan bahwa setidaknya satu secara acak akan memilih untuk berkedip lagi sesegera mungkin secara biologis, dan itu akan memicu sisanya. Akibatnya, waktu antara burst memendek menuju waktu tunggu minimum. Setiap ilmuwan yang melongo melihat pemandangan ini akan melihat apa yang tampak seperti kelompok ritme cahaya yang stabil bergulir ke dalam kegelapan, dan kemudian kegelapan meletus dengan cahaya.
A pracetak kedua dari kelompok Peleg menemukan pola eksotis lainnya. Di Taman Nasional Congaree di Carolina Selatan, Peleg melihat sesuatu yang aneh ketika timnya melatih peralatan mereka pada kunang-kunang yang sinkron. fototuris frontalis. “Saya ingat melihat dari sudut mata saya bahwa ada kunang-kunang kecil yang benar-benar tidak berdetak. Tapi dia tetap tepat waktu,” katanya.
Analisis tim menunjukkan bahwa sementara paduan suara utama kunang-kunang berkelebat dalam ritme, outlier yang keras kepala menolak untuk ikut bermain. Mereka berbagi ruang yang sama dan berkelebat dengan periode mereka sendiri, tetapi mereka keluar dari fase dengan simfoni di sekitarnya. Terkadang outlier tampak sinkron satu sama lain; terkadang mereka hanya mem-flash secara tidak sinkron. Kelompok Peleg menggambarkan ini sebagai keadaan chimera, suatu bentuk sinkroni yang pertama kali dicatat oleh Kuramoto pada tahun 2001 dan dieksplorasi oleh Strogatz dan ahli matematika. Daniel Abrams dari Northwestern University pada tahun 2004 dalam bentuk yang diidealkan secara matematis. Beberapa laporan dari ahli saraf mengklaim telah melihat sinkroni chimera semacam ini dalam aktivitas sel-sel otak di bawah kondisi eksperimental tertentu, tetapi sebaliknya hal itu belum diamati di alam sampai sekarang.
Masih belum jelas mengapa alam lebih menyukai evolusi keadaan sinkronisasi yang campur aduk ini daripada yang lebih seragam. Tetapi bahkan sinkroni dasar selalu menimbulkan misteri evolusi: Bagaimana membaur dalam membantu setiap individu jantan menonjol bagi calon pasangan? Peleg menyarankan bahwa penelitian yang melihat pola perilaku kunang-kunang betina dan bukan hanya jantan mungkin informatif. Kelompoknya sudah mulai melakukan itu dengan P.carolinus kunang-kunang tetapi belum dengan chimera-rentan P.frontalis spesies.
Ilmu Komputer Bug Petir
Untuk pemodel, perlombaan sekarang adalah untuk merangkum pola kunang-kunang yang diamati dalam kerangka kerja yang baru dan lebih baik. Ermentrout memiliki makalah yang sedang ditinjau yang menawarkan deskripsi matematis yang berbeda tentang Photinus carolinus: Misalkan alih-alih menunggu jumlah waktu yang benar-benar acak di luar minimum wajib untuk pengisian ulang, bug hanya berisik, osilator tidak teratur? Kunang-kunang kemudian mungkin mulai bertindak seperti kedipan periodik yang rapi hanya ketika berkumpul bersama. Dalam simulasi komputer, model ini juga cocok dengan data kelompok Peleg. “Meskipun kami tidak memprogramnya, hal-hal seperti gelombang muncul,” kata Ermentrout.
Sistem kamera dan algoritma murah Peleg dan Sarfati dapat sangat membantu untuk memajukan - dan mendemokratisasikan - penelitian kunang-kunang, kata para ahli biologi. Kunang-kunang sulit dipelajari di alam liar karena membedakan spesies dengan kilatan mereka sulit untuk semua kecuali peneliti yang paling berdedikasi dan penghobi hardcore. Hal ini membuat pengukuran jangkauan dan kelimpahan populasi kunang-kunang menjadi tantangan bahkan ketika ketakutan meningkat bahwa banyak spesies kutu petir berada di jalan menuju kepunahan. Penyiapan baru dapat mempermudah pengumpulan, analisis, dan berbagi data kunang-kunang.
Pada tahun 2021, Sarfati menggunakan sistem untuk mengkonfirmasi laporan dari Arizona bahwa spesies lokal Photinus knulli dapat menyinkronkan ketika cukup banyak kunang-kunang berkumpul bersama. Tahun ini laboratorium Peleg mengirim 10 salinan sistem kamera ke peneliti kunang-kunang di seluruh AS. Mereka sekarang mengambil data dari pertunjukan cahaya yang dihasilkan musim panas lalu oleh delapan spesies. Dengan tujuan untuk meningkatkan upaya konservasi, sekelompok peneliti pembelajaran mesin di lab Peleg mencoba melatih algoritme untuk mengidentifikasi spesies dari pola flash dalam rekaman yang direkam.
Model kartun kunang-kunang mengilhami teori matematika selama beberapa dekade; Peleg berharap kebenaran yang lebih bernuansa yang sekarang muncul akan memiliki konsekuensi yang sama.
Moiseff berbagi harapan itu. Kunang-kunang “telah melakukan ilmu komputer jauh sebelum kita ada,” katanya. Mempelajari bagaimana mereka menyinkronkan dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang perilaku mengatur diri sendiri pada makhluk hidup lain juga.
Editor catatan: Steven Strogatz adalah tuan rumah dari Quanta'S Sukacita Mengapa podcast dan anggota dari Quantadewan penasehat.
