במסורות עממיות יפניות, הם מסמלים נשמות עוזבות או אהבה שקטה ונלהבת. כמה תרבויות ילידים בהרי האנדים הפרואניים רואים בהם עיניים של רוחות רפאים. וברחבי תרבויות מערביות שונות, גחליליות, תולעי זוהר וחיפושיות ביולוגיות אחרות נקשרו למערך מסנוור ולעיתים סותר של אסוציאציות מטפוריות: "ילדות, יבול, אבדון, אלפים, פחד, שינוי בית גידול, אידיליה, אהבה, מזל, תמותה, זנות, היפוך, כוכבים וחולף של מילים והכרה", כפי שצוין באחת מביקורות משנת 2016.
פיזיקאים מכבדים גחליליות מסיבות שעלולות להיראות מיסטיות כל כך: מתוך כ-2,200 המינים הפזורים ברחבי העולם, לקומץ יש את היכולת המתועדת להבהב בסינכרוני. במלזיה ובתאילנד, עצי מנגרובים משובצים בגחליליות יכולים למצמץ בקצב כאילו הם תלויים באורות חג המולד; בכל קיץ באפלאצ'יה, גלים של קונקורדנציה מפחידים מתפתלים על פני שדות ויערות. האור של הגחליליות מראה פיתוי בני זוג והמונים של גולשים אנושיים, אבל הם גם עזרו לעורר כמה מהניסיונות הבסיסיים ביותר להסביר סנכרון, האלכימיה שבאמצעותה נוצרת תיאום משוכלל אפילו מחלקים בודדים פשוטים מאוד.
אורית פלג זוכרת מתי נתקלה לראשונה בתעלומת הגחליליות הסינכרוניות כסטודנטית שלומדת פיזיקה ומדעי המחשב. הגחליליות הוצגו כדוגמה לאופן שבו מערכות פשוטות משיגות סנכרון דינמיקה וכאוס לא ליניארית, ספר לימוד מאת המתמטיקאי סטיבן סטרוגאץ שהכיתה שלה השתמשה בו. פלג אפילו לא ראתה גחלילית, שכן הם נדירים בישראל, שם גדלה.
"זה פשוט כל כך יפה שזה איכשהו תקוע לי בראש במשך הרבה מאוד שנים", אמרה. אבל כשפלג התחילה מעבדה משלה, ומיישמת גישות חישוביות לביולוגיה באוניברסיטת קולורדו ובמכון סנטה פה, היא למדה שלמרות שגחליליות היוו השראה להרבה מתמטיקה, נתונים כמותיים שמתארים את מה שהחרקים עושים בפועל היו זָעוּם.
היא יצאה לתקן את זה. בשנתיים האחרונות, סדרת מאמרים מהקבוצה של פלג פתחה צינור כיבוי של נתונים מהעולם האמיתי על סינכרון במספר מיני גחליליות במספר אתרי מחקר, וברזולוציה גבוהה בהרבה ממה שהצליחו מודלים או ביולוגים קודמים. "די מדהים" כך הביולוג המתמטי בארד ארמנטרוט באוניברסיטת פיטסבורג תיאר את תוצאות הצוות ל Quanta. "הייתי מפוצץ," אמר אנדרו מויסף, ביולוג באוניברסיטת קונטיקט.
עיתונים אלה קובעים שנחילי גחליליות אמיתיים יוצאים מהאידיאליזציות המתמטיות שחלפו בכתבי עת ובספרי לימוד במשך עשרות שנים. כמעט כל מודל לסינכרון גחליליות שנרקח אי פעם, למשל, מניח שכל גחלילית שומרת על מטרונום פנימי משלה. טרום-דפוס שהקבוצה של פלג פורסם במרץ, עם זאת, הראה כי לפחות במין אחד, לגחליליות בודדות אין קצב מהותי, והיא טענה כי פעימה קולקטיבית נוצרת רק מהסינרגיה המפחידה של חיידקי ברק רבים שנאספו יחד. א הדפסה מוקדמת עדכנית אפילו יותר, הועלה לראשונה במאי ועודכן בשבוע שעבר, תיעד א סוג נדיר של סנכרון שמתמטיקאים קוראים למצב כימרה, שיש לו כמעט מעולם לא נצפה בעולם האמיתי מחוץ לניסויים מתוכננים.
ביולוגים של גחליליות מקווים שהשיטות החדשות יעצבו מחדש את המדע והשימור של גחליליות. מתמטיקאים שפיתחו תיאוריות של סנכרון כמו אלו שסטרוגאץ תיאר בספר הלימוד שלו, בינתיים, פיתחו מודלים מזמן ללא הרבה משוב ניסיוני מסנכרנים מבולגנים בעולם האמיתי. "זו פריצת הדרך הגדולה", אמר Strogatz, פרופסור למתמטיקה באוניברסיטת קורנל. "עכשיו אנחנו יכולים להתחיל לסגור מעגל."
ההוכחה החמקמקה לסינכרון
דיווחים על גחליליות שמתלקחות באחדות בדרום מזרח אסיה סוננו חזרה לשיח המדעי המערבי במשך מאות שנים. אלפי גחליליות, התקשרו קליפ-קליפ במלזיה - שמם הוא מעין אונומטופיה ויזואלית עבור הנצנצים שלהם - יכולים להתיישב על עצים על שפת הנהר. "האור שלהם בוער ונכבה על ידי אהדה משותפת", דיפלומט בריטי שסייר בתאילנד כתב 1857. "ברגע אחד כל עלה וענף מופיעים מעוטרים באש דמוי יהלום."
לא כולם קיבלו את הדיווחים הללו. "כדי שדבר כזה יתרחש בקרב חרקים זה בהחלט מנוגד לכל חוקי הטבע", מכתב אחד לכתב העת מדע התלונן ב-1917, בטענה שהאפקט הנראה נגרם במקום זאת על ידי מצמוץ בלתי רצוני של הצופה. עם זאת, בשנות ה-1960, חוקרי גחלילית מבקרים אישרו באמצעות ניתוח כמותי את מה שאנשי הסירה המקומיים בביצות מנגרובים ידעו זה מכבר.
תרחיש דומה התחולל בשנות ה-1990, כאשר חוקר טבע מטנסי קרא לין פאוסט קרא את הקביעה הבוטחת שפורסמה של מדען בשם ג'ון קופלנד שלא היו גחליליות סינכרוניות בצפון אמריקה. פאוסט ידעה אז שמה שהיא צפתה במשך עשרות שנים ביערות הסמוכים הוא משהו מדהים.
פאוסט הזמין את קופלנד ומואיזף, משתף הפעולה שלו, לראות מין בהרי המעושן הגדול שנקרא פוטינוס קרולינוס. עננים של זכרי הגחליליות ממלאים יערות וקרחות, צפים בגובה אנושי בערך. במקום למצמץ בתיאום הדוק, הגחליליות האלה פולטות פרץ של הבזקים מהירים תוך כמה שניות, ואז משתתקות כמה פעמים כל כך הרבה לפני שהם מאבדים פרץ נוסף. (דמיינו לעצמכם קהל של פפראצי שמחכה לסלבריטאים שיופיעו במרווחי זמן קבועים, מצלמים שלל תמונות בכל הופעה, ואז מתפתל באגודלם בזמן ההשבתה.)
הניסויים של קופלנד ומואיזף הראו את זה מבודד פ. קרולינוס גחליליות באמת ניסו להבהב בקצב עם גחלילית שכנה - או נורית מהבהבת - בצנצנת סמוכה. הצוות גם הקים מצלמות וידאו ברגישות גבוהה בשולי שדות וקרחות יער כדי לתעד הבזקים. קופלנד עבר על הצילומים פריים אחר פריים, סופר כמה גחליליות מוארות בכל רגע. ניתוח סטטיסטי של הנתונים שנאספו בקפידה הוכיח שכל הגחליליות שנמצאות בטווח ראיית המצלמות בסצנה אכן פולטו פרצי פלאש במרווחי זמן קבועים ומתואמים.
שני עשורים לאחר מכן, כאשר פלג והפוסט דוקטורט שלה, הפיזיקאי רפאל צרפתי, יצא לאסוף נתוני גחליליות, טכנולוגיה טובה יותר הייתה זמינה. הם תכננו מערכת של שתי מצלמות GoPro הממוקמות במרחק של כמה מטרים זה מזה. מכיוון שהמצלמות צילמו וידאו של 360 מעלות, הן יכלו לתפוס את הדינמיקה של נחיל גחליליות מבפנים, לא רק מהצד. במקום לספור הבזקים ביד, צרפתי הגה אלגוריתמי עיבוד שיכלו להשתש על הבזקי גחלילית שנתפסו על ידי שתי המצלמות ולאחר מכן לתעד לא רק מתי כל מצמוץ התרחש אלא היכן הוא התרחש במרחב התלת מימדי.
צרפתי הביא לראשונה את המערכת הזו לשטח בטנסי ביוני 2019 עבור פ. קרולינוס גחליליות שפאוסט התפרסם. זו הייתה הפעם הראשונה שלו שראה את המחזה במו עיניו. הוא דמיין משהו כמו הסצנות הדוקות של סנכרון גחליליות מאסיה, אבל התפרצויות טנסי היו מבולגנות יותר, עם התפרצויות של עד שמונה הבזקים מהירים במשך כארבע שניות שחוזרות על עצמן כל 12 שניות בערך. עם זאת, הבלגן הזה היה מרגש: כפיזיקאי, הוא הרגיש שמערכת עם תנודות פראיות יכולה להיות הרבה יותר אינפורמטיבית מאשר מערכת שמתנהגת בצורה מושלמת. "זה היה מורכב, זה היה מבלבל במובן מסוים, אבל גם יפה", אמר.
מבזקים אקראיים אך סימפטיים
במברשת התואר הראשון שלה עם גחליליות מסנכרנות, פלג למדה לראשונה להבין אותן באמצעות מודל שהציע הפיזיקאי היפני יושיקי קורמוטו. זהו מודל ה-ur של סינכרוניה, הסבא של תוכניות מתמטיות שמסבירות כיצד סינכרונייה יכולה להיווצר, לעתים קרובות ללא הרחקה, בכל דבר, החל מקבוצות של תאים קוצבי לב בלב אנושיים ועד זרמים מתחלפים.
באופן הבסיסי ביותר, מודלים של מערכות סינכרוניות צריכים לתאר שני תהליכים. האחת היא הדינמיקה הפנימית של פרט מבודד - במקרה הזה גחלילית בודדה בצנצנת, הנשלטת על ידי כלל פיזיולוגי או התנהגותי שקובע מתי הוא מהבהב. השני הוא מה שמתמטיקאים מכנים צימוד, האופן שבו הבזק של גחלילית אחת משפיע על שכנותיה. עם שילובים מקריים של שני החלקים הללו, קקופוניה של סוכנים שונים יכולה למשוך את עצמה במהירות למקהלה מסודרת.
בתיאור דמוי קורמוטו, מתייחסים לכל גחלילית בודדת כאל מתנד עם קצב מועדף מהותי. דמיינו גחליליות שיש להן מטוטלת נסתרת המתנדנדת בהתמדה בתוכם; תארו לעצמכם חרק מהבהב בכל פעם שהמטוטלת שלו סוחפת את תחתית הקשת שלו. נניח גם שראיית הבזק סמוך מושכת מעט את המטוטלת של הגחלילית שמגדירה את הקצב קדימה או אחורה. גם אם הגחליליות מתחילות לא מסונכרנות זו עם זו, או שהמקצבים הפנימיים המועדפים עליהן משתנים בנפרד, קולקטיב הנשלט על ידי הכללים הללו יתכנס לרוב לתבנית הבזק מתואמת.
מספר וריאציות על תכנית כללית זו הופיעו במהלך השנים, כל אחת מהן מסדרת את הכללים של דינמיקה פנימית וצימוד. בשנת 1990, סטרוגאץ ועמיתו רני מירולו ממכללת בוסטון הוכיחו שקבוצה פשוטה מאוד של מתנדים דמויי גחלילית כמעט תמיד תסתנכרן אם תחבר ביניהם, לא משנה כמה אנשים כללת. בשנה שלאחר מכן, ארמנטרוט תיאר כיצד קבוצות של Pteroptyx malaccae גחליליות בדרום מזרח אסיה יכולות להסתנכרן על ידי האצה או האטה של התדרים הפנימיים שלהן. כבר ב-2018, קבוצה בראשות גונזלו מרסלו רמירז-אווילה מהאוניברסיטה הגבוהה של סן אנדרס בבוליביה הגה תוכנית מסובכת יותר שבה גחליליות עברו הלוך ושוב בין מצב "טעינה" למצב "פריקה" שבמהלכו הם הבהבו.
אבל כשהמצלמות של פלג וצרפתי החלו ללכוד נתונים תלת מימדיים מהפרץ-אז-חכה פוטינוס קרולינוס גחליליות ב-Great Smokies בשנת 2019, הניתוחים שלהם חשפו דפוסים חדשים.
אחד מהם היה האישור למשהו שפאוסט וחוקרי טבע אחרים של גחליליות דיווחו זה מכבר: פרץ של הבזקים היה מתחיל לעתים קרובות במקום אחד ולאחר מכן גולש דרך היער במהירות של כחצי מטר לשנייה. האדוות המדבקות הצביעו על כך שהצימוד של גחליליות לא היה גלובלי (כאשר כל הנחיל מחובר) ולא מקומי בלבד (כאשר לכל גחלילית אכפת רק מהשכנים הקרובים). במקום זאת, נראה היה שהגחליליות שמו לב לגחליליות אחרות בשילוב של סולמות מרחק. זה יכול להיות בגלל שהגחליליות יכולות לראות רק הבזקים שמתרחשים בתוך קו ראייה בלתי שבור, אמר צרפתי; ביערות, לעתים קרובות צמחייה מפריעה.
נראה כי גחליליות אמיתיות גם מתעלמות מהנחת היסוד של דגמים בטעם קורמוטו, שמתייחסים לכל אדם כאל תקופתי. כשפלג וצרפתי הוציאו סינגל פ. קרולינוס גחלילית באוהל, היא פלטה פרצי הבזקים באופן אקראי במקום לעקוב אחר כל קצב קפדני. לפעמים זה חיכה רק כמה שניות, פעמים אחרות כמה דקות. "זה כבר מוציא אותך מהיקום של כל הדגמים הקיימים", אמר סטרוגאץ.
אבל ברגע שהצוות זרק 15 גחליליות או יותר, האוהל כולו נדלק בפרצי הבזק קולקטיביים בהפרש של כתריסר שניות זה מזה. הסינכרון והמחזוריות הקבוצתית היו אך ורק תוצרים מתעוררים של הגחליליות המבלות יחד. ב נייר טיוטה הועלה לשרת ה-preprint biorxiv.org באביב שעבר, קבוצת פלג, בעבודה עם הפיזיקאי סריבידיה אייר-ביסוואז מאוניברסיטת פרדו ומכון סנטה פה, הציעו מודל חדש לאופן שבו זה יכול לקרות.
דמיינו לעצמכם גחלילית מבודדת שזה עתה פלטה פרץ של הבזקים, ושקול את הכללים הבאים. אם תמשוך אותו עכשיו, הוא ימתין מרווח אקראי לפני שיהבהב שוב. עם זאת, יש זמן המתנה מינימלי שהחרק צריך לטעינת איברי האור שלו. גחלילית זו רגישה גם ללחץ חברתי: אם היא רואה גחלילית אחרת מתחילה להבהב, גם היא תהבהב, כל עוד היא יכולה פיזית.
כעת דמיינו שדה שלם של גחליליות בחושך השקט מיד לאחר פרץ. כל אחד בוחר זמן המתנה אקראי ארוך יותר מתקופת הטעינה. אבל מי שמבריק ראשון, נותן השראה לכל האחרים לקפוץ פנימה מיד. כל התהליך הזה חוזר על עצמו בכל פעם שהשדה מחשיך. ככל שמספר הגחליליות גדל, הולך וגדל הסבירות שלפחות אחת תבחר באקראי להבהב שוב ברגע שזה אפשרי מבחינה ביולוגית, וזה יגרום להמשך. כתוצאה מכך, הזמן בין התפרצויות מתקצר לקראת זמן ההמתנה המינימלי. כל מדענים שיסתכלו על הסצנה הזו יראו מה שנראה כמו קצב קבוצתי יציב של אור המתגלגל אל החושך, ואז החושך מתפרץ עם האור.
A הדפסה מוקדמת שנייה מקבוצת פלג חשפו עוד דפוס אקזוטי. בפארק הלאומי קונגרי בדרום קרוליינה, פלג הבחינה במשהו מוזר כשהצוות שלה אימן את הציוד שלהם על הגחלילית המסנכרנת פוטוריס פרונטליס. "אני זוכר שראיתי בזווית העין שיש גחלילית קטנה שממש לא בקצב. אבל הוא עדיין דייקן", אמרה.
הניתוח של הצוות הראה שבעוד שמקהלה עיקרית של הגחליליות הבזיקה בקצב, חריגים עקשניים סירבו לשחק יחד. הם חלקו את אותו חלל והבליחו עם התקופה שלהם, אבל הם היו מחוץ לשלב עם הסימפוניה שמסביב. לפעמים נראה היה שהחריגים מסתנכרנים זה עם זה; לפעמים הם פשוט הבהבו באופן אסינכרוני. הקבוצה של פלג מתארת זאת כמצב כימרה, צורה של סינכרון שצוין לראשונה על ידי קורמוטו ב-2001 ונחקר על ידי סטרוגאץ והמתמטיקאי דניאל אברמס מאוניברסיטת נורת'ווסטרן בשנת 2004 בצורה אידיאלית מתמטית. כמה דיווחים של מדעני מוח טוענים שראו סוג זה של סינכרוני כימרה בפעילות של תאי מוח בתנאי ניסוי מסוימים, אך חוץ מזה הוא לא נצפה בטבע עד כה.
עדיין לא ברור מדוע הטבע יעדיף את האבולוציה של מצב הסנכרון ההודג'פודג' הזה ולא אחיד יותר. אבל אפילו סנכרון בסיסי תמיד היווה תעלומה אבולוציונית: כיצד התמזגות עוזרת לכל זכר בודד לבלוט לבן זוג פוטנציאלי? פלג הציע שמחקרים המתבוננים בדפוסי ההתנהגות של נקבות גחליליות ולא רק של הזכרים עשויים להיות אינפורמטיביים. הקבוצה שלה התחילה לעשות את זה עם פ. קרולינוס גחליליות אבל עדיין לא עם נטייה לכימרה P. frontalis מינים.
ברק-באג מדעי המחשב
עבור מעצבי מודלים, המירוץ נמשך כעת להכליל את דפוסי הגחליליות שנצפו במסגרות חדשות ומשופרות. ל-Ermentrout יש מאמר בבדיקה שמציע תיאור מתמטי שונה של פוטינוס קרולינוס: נניח שבמקום לחכות פרק זמן אקראי לחלוטין מעבר למינימום החובה לטעינה מחדש, הבאגים הם פשוט מתנדים רועשים ולא סדירים? לאחר מכן, הגחליליות עשויות להתחיל להתנהג כמו מהבהבים תקופתיים בצורה מסודרת רק כאשר הם נאספים יחד. בסימולציות ממוחשבות מודל זה תואם גם את הנתונים של קבוצת פלג. "למרות שלא תכנתנו את זה, דברים כמו הגלים צצים", אמר ארמנטרוט.
מערכת המצלמה והאלגוריתם הזולה של פלג וצרפתי עשויה לעזור מאוד לקדם - ולדמוקרטיזציה - את מחקר הגחליליות, אומרים ביולוגים. קשה לחקור גחליליות בטבע מכיוון שקשה להבדיל בין המינים לפי הבזקים שלהם, פרט לחוקרים המסורים ביותר ולחובבים הקשים ביותר. זה הופך את מדידת הטווח והשפע של אוכלוסיות גחליליות למאתגרות גם בזמן שגוברת החשש שמינים רבים של פשפשי ברק נמצאים בדרך להכחדה. ההגדרה החדשה יכולה להקל על איסוף, ניתוח ושיתוף של נתונים מהבהבים של גחליליות.
בשנת 2021, צרפתי השתמש במערכת כדי לאשר דיווח מאריזונה לפיו המין המקומי פוטינוס קנולי יכול להסתנכרן כאשר מספיק מהגחליליות מתאספות יחד. השנה שלחה המעבדה של פלג 10 עותקים של מערכת המצלמה לחוקרי גחליליות בכל רחבי ארה"ב. הם קולטים כעת נתונים מתצוגות האור שהופקו בקיץ האחרון על ידי שמונה מינים. במטרה להגביר את מאמצי השימור, קבוצה של חוקרי למידת מכונה במעבדת פלג מנסה לאמן אלגוריתם לזיהוי מינים מדפוסי הבזק בצילומים המוקלטים.
מודלים מצוירים של גחליליות היוו השראה לתיאוריה מתמטית במשך עשרות שנים; פלג מקווה שהאמיתות היותר ניואנסיות שמופיעות כעת יהיו תוצאות דומה.
מויסף שותף לתקווה הזו. גחליליות "עשו מדעי המחשב הרבה לפני שהיינו קיימים", אמר. למידה כיצד הם מסתנכרנים יכולה להוביל לתפיסה טובה יותר של התנהגויות ארגון עצמי גם ביצורים חיים אחרים.
הערת העורך: סטיבן סטרוגאץ הוא המארח של Quanta"S שמחה של למה פודקאסט וחבר ב Quantaהמועצה המייעצת.
