日本の民間伝承では、彼らは旅立つ魂や静かで熱烈な愛を象徴しています。 ペルーのアンデスの一部の先住民族の文化では、それらを幽霊の目と見なしています。 また、西洋のさまざまな文化において、ホタル、ツチボタル、その他の生物発光する甲虫は、目もくらむような、時には矛盾する一連の比喩的な連想と結び付けられてきました。死亡率、売春、至点、星、そして言葉と認知の儚さ」と、2016 年のあるレビューでは指摘されています。
物理学者がホタルを崇拝する理由は、どこか神秘的なように思えるかもしれません。世界中に散らばる約 2,200 種のうち、一握りのホタルが同調して発光することが記録されています。 マレーシアとタイでは、ホタルがちりばめられたマングローブの木が、まるでクリスマスのイルミネーションで飾られているかのようにビートに合わせて点滅することがあります。 アパラチアでは毎年夏、野原や森に不気味な調和の波がさざ波を立てます。 ホタルの光は、ルアーの仲間や観光客の群れを示していますが、シンクロナイゼーションを説明するための最も基本的な試みのいくつかを刺激するのにも役立ちました.
オリット・ペレグ 物理学とコンピューター サイエンスを勉強している学部生として、シンクロナイズド ホタルの謎に初めて出会ったときのことを覚えています。 ホタルは、単純なシステムが同期を達成する方法の例として提示されました 非線形力学とカオス、数学者による教科書 スティーブンストロガッツ 彼女のクラスが使っていたもの。 ペレグはホタルを見たことがありませんでした。ホタルは、彼女が育ったイスラエルでは珍しいものだからです。
「とても美しいので、何年も何年も私の頭に残っていました」と彼女は言いました. しかし、ペレグがコロラド大学とサンタフェ研究所で計算による生物学へのアプローチを適用する自分の研究室を開始するまでに、ホタルは多くの数学に影響を与えましたが、昆虫が実際に何をしているかを説明する定量的データは乏しい。
彼女はそれを修正するために着手しました。 過去 XNUMX 年間で、Peleg のグループからの一連の論文は、複数の研究サイトでの複数のホタル種の同期性に関する現実世界のデータの消防ホースを開き、以前のモデラーや生物学者が管理していたよりもはるかに高い解像度で行われました。 「かなり驚くべきこと」は、数理生物学者がどのように 吟遊詩人エルメントラウト ピッツバーグ大学の教授は、チームの結果を次のように説明しました。 クアンタ. 「私は圧倒されました」と言いました アンドリュー・モイセフ、コネチカット大学の生物学者。
これらの論文は、本物のホタルの群れが、何十年にもわたって雑誌や教科書を飛び交った数学的理想化から逸脱していることを立証しています。 たとえば、これまでに作成されたホタル同期のほぼすべてのモデルは、各ホタルが独自の内部メトロノームを維持していると想定しています。 ペレグのグループのプレプリント XNUMX月に投稿しかし、少なくともXNUMXつの種では、個々のホタルには固有のリズムがないことが示され、集合的なビートは、集まった多くの稲妻のバグの不気味な相乗効果からのみ発生すると仮定しました. アン さらに最近のプレプリント、最初に XNUMX 月にアップロードされ、先週更新され、文書化された 珍しいタイプの同期 数学者はキメラ状態と呼んでいます。 ほとんど観測されていない 考案された実験の外の現実の世界で。
ホタルの生物学者は、新しい方法がホタルの科学と保護を再形成することを望んでいます。 一方、ストロガッツが彼の教科書で説明したようなシンクロニーの理論を構築している数学者は、乱雑な現実世界のシンクロナイザーからの実験的なフィードバックをあまり受けずに、長い間モデルを紡いできた。 「これは大きなブレークスルーです」と、コーネル大学の数学教授である Strogatz 氏は述べています。 「これで、ループを閉じ始めることができます。」
とらえどころのない同期性の証明
東南アジアでホタルが一斉に燃え上がるという報告は、何世紀にもわたって西側の科学的言説に反映されてきました。 と呼ばれる何千ものホタル ケリップケリップ マレーシアでは、彼らの名前はきらめきの一種の視覚的なオノマトペです.川沿いの木に定着することができます. 「彼らの光は燃え、共通の共感によって消される」と、タイを訪問している英国の外交官 1857で書きました. 「ある瞬間、すべての葉と枝がダイヤモンドのような火で飾られて現れます。」
誰もがこれらの報告を受け入れたわけではありません。 「昆虫の間でそのようなことが起こるのは、すべての自然法則に反することは確かです」とジャーナルへのXNUMX通の手紙 科学 1917年に不平を言い、明らかな効果は視聴者の無意識のまばたきによって引き起こされたと主張した. しかし、1960 年代までにホタル研究者を訪問したことで、マングローブの沼地に住む地元の船頭が長い間知っていたことを定量分析によって確認することができました。
同様のシナリオが 1990 年代に繰り広げられ、テネシー州のナチュラリストが リン・ファウスト という名前の科学者の自信を持って発表された主張を読む ジョン・コープランド 北アメリカには同調するホタルは存在しなかった。 ファウストはその時、彼女が近くの森で何十年も見続けてきたものが驚くべきものであることを知っていました.
ファウストは、コープランドと彼の共同研究者であるモイセフを、グレート スモーキー マウンテンに生息する、 Photinus carolinus. オスのホタルの雲が森や空き地を埋め尽くし、人間の高さほどの高さに浮かんでいます。 これらのホタルは、緊密に連携してまばたきをする代わりに、数秒以内に素早い閃光を放ち、その後、別のバーストを失う前にその数倍静かになります。 (パパラッチの群れが有名人が定期的に登場するのを待ち、登場するたびに一斉に写真を撮り、休憩時間に親指をいじっていると想像してみてください。)
コープランドとモイセフの実験は、 P. カロリヌス ホタルは実際に、近くの瓶の中で隣接するホタル (または LED の点滅) に合わせて点滅しようとしました。 チームはまた、閃光を記録するために、野原や森林伐採地の端に高感度ビデオ カメラを設置しました。 コープランドはフッテージをフレームごとに調べ、各瞬間に照らされたホタルの数を数えました。 この入念に収集されたデータの統計分析により、シーンのカメラの視野内にあるすべてのホタルが、実際に一定の相関間隔でフラッシュ バーストを放出したことが証明されました。
XNUMX 年後、ペレグと彼女のポスドクである物理学者の ラファエル・サルファティ、ホタルのデータを収集するために着手したとき、より優れた技術が利用可能でした。 彼らは、数フィート離して配置された 360 台の GoPro カメラのシステムを設計しました。 カメラは XNUMX 度のビデオを撮影したため、ホタルの群れのダイナミクスを横からだけでなく内部からも捉えることができました。 手で閃光を数える代わりに、Sarfati は処理アルゴリズムを考案しました。このアルゴリズムは、両方のカメラで捉えたホタルの閃光を三角測量し、それぞれの瞬きがいつ発生したかだけでなく、XNUMX 次元空間で発生した場所を記録します。
Sarfati は、2019 年 XNUMX 月にテネシー州でこのシステムを初めてフィールドに導入しました。 P. カロリヌス ファウストが有名にした蛍。 その光景を自分の目で見たのは初めてだった。 彼はアジアのホタルの同期のタイトなシーンのようなものを想像していましたが、テネシー バーストはもっと乱雑で、約 12 秒間に最大 XNUMX 回のクイック フラッシュのバーストが約 XNUMX 秒ごとに繰り返されました。 それでも、その乱雑さは刺激的でした。物理学者として、彼は激しい変動を伴うシステムは、完全に動作するシステムよりもはるかに有益であると証明できると感じました。 「それは複雑で、ある意味で混乱を招きましたが、美しいものでもありました」と彼は言いました。
ランダムだが同情的な露出狂
ペレグは同期するホタルに関する学部生の筆記の中で、日本の物理学者によって提案されたモデルを通じてホタルを理解することを最初に学びました。 倉本芳樹. これは同調性の元モデルであり、人間の心臓のペースメーカー細胞のグループから交流電流に至るまで、どのようにして同調性がしばしば容赦なく発生するかを説明する数学的スキームの元祖です。
最も基本的な同期システムのモデルでは、XNUMX つのプロセスを記述する必要があります。 XNUMX つは、孤立した個人の内部ダイナミクスです。この場合は、瓶の中で孤独なホタルであり、いつ点滅するかを決定する生理学的または行動規則によって支配されています。 XNUMX つ目は、数学者が結合と呼ぶもので、XNUMX つのホタルの閃光が隣のホタルに影響を与える方法です。 これら XNUMX つの部分の偶然の組み合わせにより、さまざまなエージェントの不協和音は、すぐにきちんとしたコーラスに引き込まれます。
倉本風の説明では、個々のホタルは固有の好みのリズムを持つ振動子として扱われます。 ホタルは、ホタルの中で安定して揺れる隠れた振り子を持っていると想像してください。 振り子が弧の底を通過するたびにバグが点滅することを想像してみてください。 また、近くの閃光を見て、ホタルのペース設定の振り子を少し前後に引っ張ったとします。 ホタルが互いに同期していなくても、または好みの内部リズムが個々に異なる場合でも、これらのルールによって管理される集団は、調整されたフラッシュパターンに収束することがよくあります.
この一般的なスキームのいくつかのバリエーションが何年にもわたって出現しており、それぞれが内部ダイナミクスとカップリングのルールを微調整しています. 1990年、ストロガッツと彼の同僚 レニー・ミローロ ボストン カレッジの研究チームは、非常に単純なホタルのような振動子のセットを相互接続すれば、含まれる個体の数に関係なく、ほぼ常に同期することを証明しました。 翌年、Ermentrout は、 プテロプティクス・マラッカ 東南アジアのホタルは、内部周波数を加速または減速することで同期できます。 2018 年には、 ゴンサロ・マルセロ・ラミレス・アビラ ボリビアのサンアンドレス高等大学の研究チームは、ホタルが「充電」状態と「放電」状態の間を行ったり来たりして点滅するという、より複雑なスキームを考案しました。
しかし、ペレグとサルファティのカメラがバーストから XNUMX 次元データをキャプチャし始めたとき、それから待ちました。 Photinus carolinus 2019 年のグレート スモーキー山脈のホタルの分析により、新しいパターンが明らかになりました。
XNUMX つは、ファウストや他のホタル博物学者が以前から報告していたことの確認でした。閃光のバーストは、多くの場合、XNUMX か所で始まり、その後、毎秒約 XNUMX メートルの速さで森の中をカスケードします。 伝染性の波紋は、ホタルの結合がグローバル (群れ全体が接続されている) でも純粋にローカル (各ホタルが近くの隣人だけを気にかけている) でもないことを示唆していました。 代わりに、ホタルはさまざまな距離スケールで他のホタルに注意を払っているように見えました。 これは、ホタルが途切れのない視線内で発生する閃光しか見ることができないためである可能性があると、Sarfati 氏は述べています。 森林では、植生が邪魔になることがよくあります。
本物のホタルはまた、個々のホタルを周期的なものとして扱う、倉本風味のモデルの核となる前提を無視しているようです。 ペレグとサルファティがシングルをリリースしたとき P. カロリヌス テントの中でホタルを捕まえると、厳密なリズムに従うのではなく、ランダムにフラッシュのバーストを発しました。 ほんの数秒待つこともあれば、数分待つこともありました。 「それはすでに、既存のすべてのモデルの宇宙からあなたを連れ出します」とストロガッツは言いました。
しかし、チームが15匹以上のホタルを投棄すると、テント全体が約XNUMX秒間隔で集団的なフラッシュバーストで明るくなりました. シンクロニーとグループの周期性は、一緒にぶらぶらしているホタルの純粋な創発的な産物でした. の ドラフトペーパー 昨年の春、biorxiv.orgプレプリントサーバーにアップロードされた、物理学者と協力しているペレググループ スリヴィディア・アイエル・ビスワス パデュー大学とサンタフェ研究所の教授は、これがどのように起こるかについてのまったく新しいモデルを提案しました.
閃光を放ったばかりの孤立したホタルを想像して、次のルールを考えてみてください。 今すぐ隔離すると、再び点滅する前にランダムな間隔で待機します。 ただし、昆虫が光器官を再充電するために必要な最小待機時間があります。 このホタルは、仲間からの圧力にも影響を受けやすいです。別のホタルが点滅し始めているのを見ると、物理的に可能な限り、それも点滅します。
バースト直後の静かな暗闇の中でホタルのフィールド全体を想像してみてください. それぞれが充電期間よりも長いランダムな待機時間を選択します。 ただし、最初に点滅する人は誰でも、他のすべての人にすぐに飛び込むように促します. フィールドが暗くなるたびに、このプロセス全体が繰り返されます。 ホタルの数が増えるにつれて、生物学的に可能な限りすぐに、少なくとも XNUMX つのホタルが再び発光することをランダムに選択する可能性が高くなり、それが残りのホタルを引き立たせます。 その結果、バースト間の時間が最小待機時間に向かって短縮されます。 このシーンをじっと見つめている科学者は誰でも、光が暗闇に転がり込み、次に暗闇が光で爆発するという安定したグループリズムのように見えるものを見るでしょう.
A セカンドプレプリント Pelegグループから、別のエキゾチックなパターンが発掘されました. サウスカロライナ州のコンガリー国立公園で、ペレグのチームがシンクロするホタルを使って機材を訓練していたとき、奇妙なことに気付きました。 ホトゥリス・フロンタリス。 「目の隅に、本当に調子が悪い小さなホタルがいるのを見たのを覚えています。 しかし、彼はまだ時間厳守です」と彼女は言いました。
チームの分析によると、ホタルのメインコーラスがリズムを刻んでいる間、頑固な外れ値は一緒に演奏することを拒否した. 彼らは同じ空間を共有し、それぞれのピリオドで閃きましたが、周囲の交響曲とは位相がずれていました。 外れ値が互いに同期しているように見えることもありました。 非同期で点滅することもあります。 ペレグのグループは、これをキメラ状態、2001 年に倉本によって最初に指摘され、ストロガッツと数学者によって調査された同期の形態であると説明しています。 ダニエル・エイブラムス 数学的に理想化された形式で、2004 年にノースウェスタン大学で博士号を取得しました。 いくつか 神経科学者からの報告 は、特定の実験条件下で脳細胞の活動にこの種のキメラ同調性を見たと主張していますが、それ以外の点では、これまで自然界では観察されていませんでした。
自然界が、より均一な同期ではなく、このごちゃまぜ状態の同期の進化を好む理由はまだ明らかではありません。 しかし、基本的な同調性でさえ、常に進化の謎を提起してきました: ブレンドインは、個々のオスが潜在的な配偶者に対してどのように目立つのに役立つのでしょうか? ペレグは、オスだけでなくメスのホタルの行動パターンを調べた研究が有益かもしれないと示唆した. 彼女のグループは、 P. カロリヌス ホタルですが、まだキメラになりやすい状態ではありません P.フロンタリス 種。
Lightning-Bug コンピューター サイエンス
モデラーにとっては、観測されたホタルのパターンを新しく改善されたフレームワークにカプセル化する競争が始まっています。 Ermentrout は、次の異なる数学的記述を提供するレビュー中の論文を持っています。 Photinus carolinus: 再充電のために強制的な最小値を超えて純粋にランダムな時間を待つ代わりに、バグは単にノイズの多い不規則な振動子であると仮定しますか? ホタルは、集まったときにのみ、きれいに定期的に点滅するように動作し始める可能性があります. コンピューター シミュレーションでも、このモデルはペレグ グループのデータと一致します。 「私たちはそれをプログラムしていませんでしたが、波のようなものが現れました」と Ermentrout は言いました。
Peleg と Sarfati の安価なカメラとアルゴリズムのシステムは、ホタル研究の進歩と民主化に大いに役立つ可能性がある、と生物学者は言う。 ホタルを野生で研究するのは困難です。ホタルの閃光で種を区別することは、熱心な研究者や筋金入りの愛好家以外には難しいからです。 これにより、ホタルの個体数の範囲と個体数を測定することは、多くの雷虫種が絶滅への道を進んでいるという懸念が高まっているにもかかわらず、困難になっています。 新しいセットアップにより、ホタルの点滅データの収集、分析、共有が容易になります。
2021 年、Sarfati はこのシステムを使用して、アリゾナ州からの報告を確認しました。 フォティヌス・クヌリ 十分な数のホタルが集まったときに同期できます。 今年、ペレグの研究室はカメラ システムのコピーを 10 個、米国中のホタル研究者に送りました。彼らは現在、昨年の夏に XNUMX 種が作成した光のショーからデータを取得しています。 保護活動を後押しすることを目的として、ペレグ研究所の機械学習研究者グループは、記録された映像のフラッシュ パターンから種を識別するアルゴリズムをトレーニングしようとしています。
漫画風のホタルのモデルは、何十年にもわたって数学的理論に影響を与えてきました。 Peleg は、現在明らかになっているより微妙な真実が同様に重要であることを望んでいます。
Moiseff はその希望を分かち合います。 ホタルは「私たちが存在する前からコンピューター サイエンスを行ってきました」と彼は言います。 それらがどのように同期するかを学ぶことは、他の生物の自己組織化行動をよりよく理解することにつながる可能性があります.
編集者注： スティーブン・ストロガッツが司会を務める クアンタさん ジョイ・オブ・ホワイ ポッドキャストとのメンバー クアンタの諮問委員会。
