Nelle tradizioni popolari giapponesi, simboleggiano anime in partenza o amore silenzioso e ardente. Alcune culture indigene delle Ande peruviane le vedono come occhi di fantasmi. E in varie culture occidentali, lucciole, lucciole e altri coleotteri bioluminescenti sono stati collegati a una serie abbagliante ea volte contraddittoria di associazioni metaforiche: "infanzia, raccolto, rovina, elfi, paura, cambiamento dell'habitat, idillio, amore, fortuna, mortalità, prostituzione, solstizio, stelle e fugacità di parole e cognizione”, come ha osservato una recensione del 2016.
I fisici venerano le lucciole per ragioni che potrebbero sembrare altrettanto mistiche: delle circa 2,200 specie sparse per il mondo, una manciata ha la capacità documentata di lampeggiare in sincronia. In Malesia e Thailandia, gli alberi di mangrovie tempestati di lucciole possono lampeggiare a ritmo come se fossero carichi di luci natalizie; ogni estate negli Appalachi, ondate di inquietante concordanza si propagano attraverso campi e foreste. Gli spettacoli di luce delle lucciole attirano compagni e folle di turisti umani, ma hanno anche contribuito a innescare alcuni dei tentativi più fondamentali di spiegare la sincronizzazione, l'alchimia mediante la quale un'elaborata coordinazione emerge da singole parti anche molto semplici.
Orit Peleg ricorda quando ha incontrato per la prima volta il mistero delle lucciole sincrone mentre studiava fisica e informatica. Le lucciole sono state presentate come un esempio di come i sistemi semplici ottengano la sincronia Dinamiche non lineari e caos, un libro di testo del matematico Steven Strogatz che la sua classe stava usando. Peleg non aveva mai nemmeno visto una lucciola, poiché sono rari in Israele, dove è cresciuta.
"È così bello che in qualche modo mi è rimasto in testa per molti, molti anni", ha detto. Ma quando Peleg iniziò il suo laboratorio, applicando approcci computazionali alla biologia all'Università del Colorado e al Santa Fe Institute, aveva appreso che sebbene le lucciole avessero ispirato molta matematica, i dati quantitativi che descrivevano ciò che gli insetti stavano effettivamente facendo erano scarso.
Ha deciso di aggiustarlo. Negli ultimi due anni, una serie di articoli del gruppo di Peleg ha aperto una manichetta antincendio di dati del mondo reale sulla sincronia in più specie di lucciole in più siti di studio, e con una risoluzione molto più elevata rispetto a precedenti modellisti o biologi. “Abbastanza sorprendente” è il biologo matematico Bardo Ermentrout presso l'Università di Pittsburgh ha descritto i risultati della squadra a Quanta. "Sono rimasto sbalordito", ha detto Andrea Moiseff, biologo dell'Università del Connecticut.
Questi documenti stabiliscono che i veri sciami di lucciole si discostano dalle idealizzazioni matematiche che hanno attraversato giornali e libri di testo per decenni. Quasi tutti i modelli per la sincronia delle lucciole mai inventati, ad esempio, presuppongono che ogni lucciola mantenga il proprio metronomo interno. Un preprint che il gruppo di Peleg pubblicato a marzo, tuttavia, ha mostrato che in almeno una specie, le singole lucciole non hanno un ritmo intrinseco e ha ipotizzato che un battito collettivo emerga solo dalla sinergia spettrale di molti fulmini riuniti insieme. Un prestampa ancora più recente, caricato per la prima volta a maggio e aggiornato la scorsa settimana, ha documentato a raro tipo di sincronia che i matematici chiamano stato chimera, che ha quasi mai osservato nel mondo reale al di fuori di esperimenti artificiosi.
I biologi Firefly sperano che i nuovi metodi rimodellino la scienza e la conservazione delle lucciole. I matematici che elaborano teorie sulla sincronia come quelle che Strogatz ha descritto nel suo libro di testo, nel frattempo, hanno elaborato a lungo modelli senza molto feedback sperimentale da sincronizzatori disordinati del mondo reale. "Questa è la grande svolta", ha detto Strogatz, professore di matematica alla Cornell University. "Ora possiamo iniziare a chiudere il cerchio".
L'inafferrabile prova della sincronia
Le notizie di lucciole che divampavano all'unisono nel sud-est asiatico sono tornate per secoli al discorso scientifico occidentale. Migliaia di lucciole, hanno chiamato kelip-kelip in Malesia - il loro nome è una sorta di onomatopea visiva per il loro luccichio - possono stabilirsi sugli alberi lungo il fiume. "La loro luce risplende e si spegne per una comune simpatia", un diplomatico britannico in tournée in Thailandia ha scritto in 1857. "Ad un certo momento ogni foglia e ramo appare decorato con un fuoco simile a un diamante."
Non tutti hanno accettato questi rapporti. "Che una cosa del genere avvenga tra gli insetti è certamente contraria a tutte le leggi naturali", una lettera al diario Scienze si lamentò nel 1917, sostenendo che l'effetto apparente era invece causato dall'ammiccamento involontario dello spettatore. Eppure negli anni '1960, i ricercatori delle lucciole in visita confermarono attraverso l'analisi quantitativa ciò che i barcaioli locali nelle paludi di mangrovie sapevano da tempo.
Uno scenario simile si è verificato negli anni '1990, quando un naturalista del Tennessee ha nominato Lynn Faust leggi la fiduciosa affermazione pubblicata di uno scienziato di nome Jon Copland che non c'erano lucciole sincrone in Nord America. Faust capì allora che quello che aveva osservato per decenni nei boschi vicini era qualcosa di straordinario.
Faust invitò Copeland e Moiseff, il suo collaboratore, a vedere una specie chiamata Great Smoky Mountains Photinus carolinus. Le nuvole delle lucciole maschi riempiono foreste e radure, galleggiando all'incirca all'altezza umana. Invece di battere le palpebre in stretta coordinazione, queste lucciole emettono una raffica di lampi veloci in pochi secondi, quindi si zittiscono per diverse volte prima di perdere un'altra raffica. (Immaginate una folla di paparazzi in attesa che le celebrità appaiano a intervalli regolari, scattando una salva di foto ad ogni apparizione e poi girando i pollici nei tempi di inattività.)
Gli esperimenti di Copeland e Moiseff lo hanno mostrato isolato P. carolino le lucciole hanno davvero provato a lampeggiare a ritmo con una lucciola vicina - o un LED lampeggiante - in un barattolo vicino. Il team ha anche installato videocamere ad alta sensibilità ai margini dei campi e delle radure forestali per registrare i flash. Copeland ha esaminato il filmato fotogramma per fotogramma, contando quante lucciole erano illuminate in ogni momento. L'analisi statistica di questi dati meticolosamente raccolti ha dimostrato che tutte le lucciole all'interno della visuale delle telecamere in una scena emettevano davvero esplosioni di flash a intervalli regolari e correlati.
Due decenni dopo, quando Peleg e il suo post-dottorato, il fisico Raffaello Sarfati, deciso a raccogliere dati sulle lucciole, era disponibile una tecnologia migliore. Hanno progettato un sistema di due videocamere GoPro poste a pochi metri di distanza l'una dall'altra. Poiché le telecamere registravano video a 360 gradi, potevano catturare le dinamiche di uno sciame di lucciole dall'interno, non solo di lato. Invece di contare i flash a mano, Sarfati ha ideato algoritmi di elaborazione in grado di triangolare sui flash di lucciola catturati da entrambe le fotocamere e quindi registrare non solo quando si è verificato ogni battito di ciglia, ma dove si è verificato nello spazio tridimensionale.
Sarfati ha portato questo sistema per la prima volta in campo in Tennessee nel giugno 2019 per il P. carolino lucciole che Faust aveva reso famose. Era la prima volta che vedeva lo spettacolo con i propri occhi. Aveva immaginato qualcosa di simile alle scene serrate della sincronia delle lucciole dall'Asia, ma le esplosioni del Tennessee erano più disordinate, con esplosioni fino a otto lampi veloci in circa quattro secondi ripetuti all'incirca ogni 12 secondi. Eppure quel disordine era eccitante: come fisico, sentiva che un sistema con fluttuazioni selvagge poteva rivelarsi molto più informativo di uno che si comportava perfettamente. "Era complesso, in un certo senso confuso, ma anche bello", ha detto.
Lampeggiatori casuali ma simpatici
Nel suo incontro universitario con la sincronizzazione delle lucciole, Peleg ha imparato a capirle per la prima volta attraverso un modello proposto dal fisico giapponese Yoshiki Kuramoto. Questo è l'ur-modello della sincronia, il nonno degli schemi matematici che spiegano come la sincronia possa sorgere, spesso inesorabilmente, in qualsiasi cosa, dai gruppi di cellule pacemaker nel cuore umano alle correnti alternate.
Nella loro forma più elementare, i modelli di sistemi sincroni devono descrivere due processi. Una è la dinamica interiore di un individuo isolato, in questo caso una lucciola solitaria in un barattolo, governata da una regola fisiologica o comportamentale che determina quando lampeggia. Il secondo è ciò che i matematici chiamano accoppiamento, il modo in cui il lampo di una lucciola influenza le sue vicine. Con combinazioni fortuite di queste due parti, una cacofonia di agenti diversi può rapidamente trasformarsi in un ritornello pulito.
In una descrizione in stile Kuramoto, ogni singola lucciola è trattata come un oscillatore con un ritmo intrinseco preferito. Immagina le lucciole come se avessero un pendolo nascosto che oscilla costantemente al loro interno; immagina un insetto lampeggia ogni volta che il suo pendolo attraversa la parte inferiore del suo arco. Supponiamo anche che vedere un lampo vicino spinga un po' avanti o indietro il pendolo di regolazione del ritmo di una lucciola. Anche se le lucciole iniziano fuori sincronia tra loro, o se i loro ritmi interni preferiti variano individualmente, un collettivo governato da queste regole convergerà spesso su uno schema di flash coordinato.
Diverse variazioni su questo schema generale sono emerse nel corso degli anni, ciascuna modificando le regole della dinamica interna e dell'accoppiamento. Nel 1990 Strogatz e il suo collega Rennie Mirollo del Boston College ha dimostrato che un set molto semplice di oscillatori simili a una lucciola si sincronizzerebbe quasi sempre se li interconnessi, indipendentemente dal numero di individui inclusi. L'anno successivo, Ermentrout descrisse come gruppi di Pteroptyx malaccae le lucciole nel sud-est asiatico potrebbero sincronizzarsi accelerando o rallentando le loro frequenze interne. Di recente, nel 2018, un gruppo guidato da Gonzalo Marcelo Ramirez-Ávila dell'Università Superiore di San Andrés in Bolivia ha ideato uno schema più complicato in cui le lucciole passavano avanti e indietro tra uno stato di "carica" e uno stato di "scarico" durante il quale lampeggiavano.
Ma quando le telecamere di Peleg e Sarfati hanno iniziato a catturare dati tridimensionali dal burst-then-wait Photinus carolinus lucciole nei Great Smokies nel 2019, le loro analisi hanno rivelato nuovi schemi.
Una era la conferma di qualcosa che Faust e altri naturalisti di lucciole avevano da tempo riportato: un'esplosione di lampi iniziava spesso in un punto e poi precipitava attraverso la foresta a circa mezzo metro al secondo. Le increspature contagiose suggerivano che l'accoppiamento delle lucciole non fosse né globale (con l'intero sciame collegato) né puramente locale (con ogni lucciola che si preoccupava solo dei vicini più stretti). Invece, le lucciole sembravano prestare attenzione ad altre lucciole su un mix di scale di distanza. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che le lucciole possono vedere solo i lampi che si verificano all'interno di una visuale ininterrotta, ha detto Sarfati; nelle foreste, la vegetazione spesso si intromette.
Le vere lucciole sembrano anche ignorare la premessa fondamentale dei modelli al gusto di Kuramoto, che trattano ogni individuo come periodico. Quando Peleg e Sarfati pubblicarono un singolo P. carolino lucciola in una tenda, emetteva esplosioni di bagliori casualmente invece di seguire un ritmo rigoroso. A volte ha aspettato solo pochi secondi, altre volte pochi minuti. "Questo ti porta già fuori dall'universo di tutti i modelli esistenti", ha detto Strogatz.
Ma una volta che la squadra ha scaricato 15 o più lucciole, l'intera tenda si è illuminata con lampi collettivi distanziati di una dozzina di secondi l'uno dall'altro. La sincronia e la periodicità di gruppo erano prodotti puramente emergenti delle lucciole che uscivano insieme. In una bozza di carta caricato sul server di preprint di biorxiv.org la scorsa primavera, il gruppo Peleg, in collaborazione con il fisico Srividya Iyer-Biswas della Purdue University e del Santa Fe Institute, ha suggerito un modello nuovo di zecca per come ciò potrebbe accadere.
Immagina una lucciola isolata che ha appena emesso un lampo e considera le seguenti regole. Se lo sequestri ora, attenderà un intervallo casuale prima di lampeggiare di nuovo. C'è, tuttavia, un tempo minimo di attesa di cui l'insetto ha bisogno per ricaricare i suoi organi luminosi. Questa lucciola è anche suscettibile alla pressione dei pari: se vede un'altra lucciola che inizia a lampeggiare, lampeggerà anche lei, finché fisicamente può.
Ora immagina un intero campo di lucciole nella quiete dell'oscurità subito dopo un'esplosione. Ognuno sceglie un tempo di attesa casuale più lungo del periodo di ricarica. Chi lampeggia per primo, però, ispira tutti gli altri a saltare immediatamente. L'intero processo si ripete ogni volta che il campo diventa scuro. Con l'aumentare del numero di lucciole, diventa sempre più probabile che almeno una sceglierà casualmente di lampeggiare di nuovo non appena sarà biologicamente possibile, e questo farà partire il resto. Di conseguenza, il tempo tra i burst si riduce verso il tempo di attesa minimo. Tutti gli scienziati che osservano a bocca aperta questa scena vedranno quello che sembra un ritmo di gruppo costante di luce che rotola nell'oscurità, e poi l'oscurità che erutta con la luce.
A seconda prestampa dal gruppo Peleg ha portato alla luce un altro modello esotico. Nel Congaree National Park nella Carolina del Sud, Peleg ha notato qualcosa di strano quando la sua squadra ha addestrato le proprie attrezzature sulla lucciola sincronizzata Photuris frontale. “Ricordo di aver visto con la coda dell'occhio che c'è questa piccola lucciola che non è davvero a ritmo. Ma è ancora puntuale", ha detto.
L'analisi della squadra ha mostrato che mentre un ritornello principale delle lucciole lampeggiava a ritmo, i valori anomali testardi si rifiutavano di seguire. Condividevano lo stesso spazio e lampeggiavano con il loro periodo, ma erano fuori fase con la sinfonia circostante. A volte i valori anomali sembravano sincronizzarsi tra loro; a volte lampeggiavano in modo asincrono. Il gruppo di Peleg lo descrive come uno stato chimerico, una forma di sincronia notata per la prima volta da Kuramoto nel 2001 ed esplorata da Strogatz e dal matematico Daniele Abram della Northwestern University nel 2004 in una forma matematicamente idealizzata. Alcuni segnalazioni di neuroscienziati affermano di aver visto questo tipo di sincronia chimerica nell'attività delle cellule cerebrali in determinate condizioni sperimentali, ma per il resto non è stata osservata in natura fino ad ora.
Non è ancora chiaro il motivo per cui la natura dovrebbe favorire l'evoluzione di questo stato di sincronizzazione miscuglio piuttosto che uno più uniforme. Ma anche la sincronia di base ha sempre posto un mistero evolutivo: in che modo la fusione nell'aiuto di un individuo maschio si distingue per un potenziale compagno? Peleg ha suggerito che gli studi che esaminano i modelli comportamentali delle lucciole femmine e non solo i maschi potrebbero essere informativi. Il suo gruppo ha iniziato a farlo con il P. carolino lucciole ma non ancora con la chimera incline P. frontalis specie.
Informatica fulminea
Per i modellisti, la corsa è ora in corso per incapsulare i modelli di lucciola osservati in strutture nuove e migliorate. Ermentrout ha un documento in fase di revisione che offre una diversa descrizione matematica di Photinus carolinus: Supponiamo che invece di aspettare un tempo puramente casuale oltre il minimo obbligatorio per la ricarica, i bug siano solo oscillatori rumorosi e irregolari? Le lucciole potrebbero quindi iniziare a comportarsi come lampeggiatori ordinatamente periodici solo quando raccolte insieme. Nelle simulazioni al computer, questo modello corrisponde anche ai dati del gruppo Peleg. "Anche se non l'abbiamo programmato, emergono cose come le onde", ha detto Ermentrout.
Secondo i biologi, l'economico sistema di fotocamera e algoritmo di Peleg e Sarfati potrebbe aiutare notevolmente a far avanzare - e democratizzare - la ricerca sulle lucciole. Le lucciole sono difficili da studiare in natura perché distinguere le specie dai loro bagliori è difficile per tutti tranne che per i ricercatori più devoti e gli appassionati di hobby. Ciò rende difficile misurare la portata e l'abbondanza delle popolazioni di lucciole anche mentre aumentano i timori che molte specie di fulmini siano sulla strada dell'estinzione. La nuova configurazione può semplificare la raccolta, l'analisi e la condivisione di dati lampeggianti.
Nel 2021, Sarfati ha utilizzato il sistema per confermare un rapporto dell'Arizona sulla specie locale Photino knulli può sincronizzarsi quando un numero sufficiente di lucciole si riunisce. Quest'anno il laboratorio di Peleg ha inviato 10 copie del sistema di telecamere a ricercatori di lucciole in tutti gli Stati Uniti. Ora stanno raccogliendo i dati dagli spettacoli di luci prodotti la scorsa estate da otto specie. Con l'obiettivo di aumentare gli sforzi di conservazione, un gruppo di ricercatori di apprendimento automatico all'interno del laboratorio Peleg sta cercando di addestrare un algoritmo per identificare le specie dai modelli di flash nel filmato registrato.
I modelli da cartone animato delle lucciole hanno ispirato la teoria matematica per decenni; Peleg spera che le verità più sfumate che emergono ora saranno altrettanto consequenziali.
Moiseff condivide questa speranza. Le lucciole "hanno fatto informatica molto prima ancora che esistessimo", ha detto. Imparare come si sincronizzano potrebbe portare a una migliore comprensione dei comportamenti di auto-organizzazione anche in altri esseri viventi.
Nota del redattore: Steven Strogatz è l'ospite di Quanta'S Gioia del perché podcast e un membro di Quantacomitato consultivo di.
