일본 민속 전통에서 그들은 떠나는 영혼 또는 조용하고 열렬한 사랑을 상징합니다. 페루 안데스 산맥의 일부 원주민 문화는 그들을 유령의 눈으로 봅니다. 그리고 다양한 서구 문화 전반에 걸쳐 반딧불이, 반딧불이 및 기타 생물발광 딱정벌레는 눈부시게도 때로는 모순되는 일련의 은유적 연상과 연결되어 있습니다. 죽음, 매춘, 동지, 별, 단어와 인지의 덧없음.”
물리학자들은 반딧불이를 숭배하는 이유가 매우 신비로워 보일 수 있습니다. 전 세계에 흩어져 있는 약 2,200종 중 소수는 동시에 깜박이는 능력이 있는 것으로 기록되어 있습니다. 말레이시아와 태국에서는 반딧불이가 박힌 맹그로브 나무가 크리스마스 조명에 매달려 있는 것처럼 비트에 맞춰 깜박일 수 있습니다. 매년 여름 애팔래치아에서는 섬뜩한 일치의 물결이 들판과 숲에 파문을 일으키고 있습니다. 반딧불이의 빛은 미끼 짝과 인간 관광객의 군중을 보여 주지만, 동기화를 설명하려는 가장 기본적인 시도를 촉발시키는 데 도움이 되기도 합니다. 동기화는 아주 단순한 개별 부품에서도 정교한 조정이 나오는 연금술입니다.
오리트 펠렉 그녀는 물리학 및 컴퓨터 과학을 공부하는 학부 시절에 동기 반딧불이의 신비를 처음 접했을 때를 기억합니다. 반딧불이는 간단한 시스템이 동기화를 달성하는 방법의 예로 제시되었습니다. 비선형 역학과 혼돈, 수학자의 교과서 스티븐 스트로 가츠 그녀의 수업이 사용하고 있었던 것입니다. 벨렉은 반딧불이를 한 번도 본 적이 없습니다. 그녀가 자란 이스라엘에서는 반딧불이가 드물기 때문입니다.
그녀는 “너무 아름다워서 어떻게든 몇 년 동안 내 머리 속에 맴돌았다”고 말했다. 그러나 Peleg는 콜로라도 대학과 산타페 연구소에서 생물학에 컴퓨터 접근 방식을 적용하여 자신의 실험실을 시작했을 때 반딧불이가 많은 수학에 영감을 주었지만 곤충이 실제로 하는 일을 설명하는 정량적 데이터는 부족한.
그녀는 그것을 고치기 시작했습니다. 지난 XNUMX년 동안 Peleg 그룹의 일련의 논문은 여러 연구 장소에서 여러 반딧불이 종의 동시성에 대한 실제 데이터의 소방 호스를 공개했으며 이전 모델 작성자나 생물학자들이 관리했던 것보다 훨씬 높은 해상도로 공개했습니다. "매우 놀라운" 방법은 수학적 생물학자가 음유시인 에르멘트라우트 University of Pittsburgh에서는 팀의 결과를 다음과 같이 설명했습니다. 콴타. "나는 바람을 피웠다"고 말했다 앤드류 모이세프, 코네티컷 대학의 생물학자.
이 논문은 실제 반딧불이 떼가 수십 년 동안 저널과 교과서를 통해 퍼진 수학적 이상화에서 벗어남을 입증합니다. 예를 들어 지금까지 만들어진 거의 모든 반딧불 동기화 모델은 각 반딧불이 자체 내부 메트로놈을 유지한다고 가정합니다. Peleg 그룹의 프리프린트 XNUMX 월에 게시그러나 적어도 하나의 종에서 개별 반딧불이에는 고유한 리듬이 없으며 집합적인 박동은 많은 번개 벌레가 함께 모여 으스스한 시너지를 낼 때만 발생한다고 가정했습니다. 안 더 최근의 사전 인쇄, XNUMX월에 처음 업로드되어 지난 주에 업데이트되었으며, 드문 유형의 동기화 수학자들은 키메라 상태라고 부릅니다. 거의 관찰되지 않았다 인위적인 실험이 아닌 현실 세계에서.
반딧불이 생물학자들은 새로운 방법이 반딧불이의 과학과 보존을 재편할 수 있기를 희망합니다. 한편, Strogatz가 그의 교과서에서 설명한 것과 같은 동시성 이론을 만들어내는 수학자들은 지저분한 실제 동기화 장치로부터 많은 실험적 피드백 없이 오랫동안 모델을 만들어 냈습니다. 코넬 대학의 수학 교수인 Strogatz는 “그것은 큰 돌파구입니다. "이제 루프를 닫을 수 있습니다."
애매한 동기 증명
동남아시아에서 일제히 타오르는 반딧불이에 대한 보고는 수세기 동안 서구 과학 담론으로 다시 걸러졌습니다. 라고 불리는 수천 마리의 반딧불이 켈립 켈립 말레이시아에서 - 그들의 이름은 반짝임에 대한 일종의 시각적 의성어입니다 - 강변 나무에 정착할 수 있습니다. 태국을 순방하는 영국 외교관 “그들의 빛은 타오르고 공통의 동정심으로 꺼진다” 1857에 쓴. "순간 모든 잎과 가지가 다이아몬드 같은 불로 장식되어 나타납니다."
모든 사람이 이 보고서를 수락한 것은 아닙니다. “곤충들 사이에서 그런 일이 일어난다는 것은 확실히 모든 자연 법칙에 위배됩니다”라고 그 저널에 보낸 한 편지 과학 1917년, 겉보기 효과가 시청자의 비자발적 깜박임에 의한 것이라고 주장하면서 불만을 제기했습니다. 그러나 1960년대에 방문 반딧불이 연구원들은 맹그로브 늪지의 현지 뱃사공이 오랫동안 알고 있었던 것을 정량 분석을 통해 확인했습니다.
유사한 시나리오가 1990년대에 진행되었는데, 테네시주의 박물학자가 린 파우스트 라는 과학자의 자신 있게 발표된 주장을 읽으십시오. 존 코플랜드 북미에는 동기 반딧불이가 없었습니다. 파우스트는 그녀가 수십 년 동안 인근 숲에서 지켜본 것이 놀라운 것임을 깨달았습니다.
Faust는 Copeland와 그의 협력자인 Moiseff를 초대하여 그레이트 스모키 산맥에서 Photinus carolinus. 수컷 반딧불이의 구름은 숲과 공터를 채우고 인간 높이로 떠 있습니다. 이 반딧불이는 긴밀하게 협력하여 깜박이는 대신 몇 초 안에 빠른 섬광을 뿜어내고 그 후 몇 번이고 조용하다가 또 다른 폭발을 잃습니다. (파파라치 무리가 일정한 간격으로 유명인이 나타나기를 기다리고, 등장할 때마다 일제히 사진을 찍고, 쉬는 시간에 엄지손가락을 만지작거린다고 상상해 보세요.)
Copeland와 Moiseff의 실험은 피. 캐롤리누스 반딧불이는 근처 항아리에 있는 이웃 반딧불이(또는 깜박이는 LED)와 박자에 맞춰 깜박이려고 했습니다. 팀은 또한 플래시를 녹화하기 위해 들판과 산림 개간지의 가장자리에 고감도 비디오 카메라를 설치했습니다. Copeland는 매 순간에 얼마나 많은 반딧불이가 비춰졌는지 세면서 영상을 프레임별로 살펴보았습니다. 이 힘들게 수집된 데이터에 대한 통계 분석은 한 장면에서 카메라의 시야 안에 있는 모든 반딧불이가 실제로 규칙적이고 상관 관계가 있는 간격으로 플래시 버스트를 방출한다는 것을 증명했습니다.
XNUMX년 후, Peleg와 그녀의 박사후 연구원인 물리학자가 라파엘 사르파티, 반딧불이 데이터 수집에 착수하여 더 나은 기술을 사용할 수 있었습니다. 그들은 몇 피트 떨어진 곳에 두 대의 GoPro 카메라 시스템을 설계했습니다. 카메라는 360도 비디오를 촬영했기 때문에 반딧불이 떼의 역동성을 측면뿐만 아니라 내부에서도 포착할 수 있었습니다. 손으로 플래시를 계산하는 대신 Sarfati는 두 카메라 모두에서 포착한 반딧불 플래시를 삼각 측량한 다음 각 깜박임이 발생한 시간뿐만 아니라 XNUMX차원 공간에서 발생한 위치를 기록할 수 있는 처리 알고리즘을 고안했습니다.
Sarfati는 2019년 XNUMX월 테네시 주에서 이 시스템을 처음 도입했습니다. 피. 캐롤리누스 파우스트가 유명하게 만든 반딧불이. 그의 눈으로 그 광경을 본 것은 처음이었다. 그는 아시아에서 온 반딧불이 싱크로나이즈의 빡빡한 장면과 같은 장면을 상상했지만 테네시 버스트는 약 12초마다 약 XNUMX초에 걸쳐 최대 XNUMX개의 빠른 섬광이 반복되는 더 지저분했습니다. 그러나 그 혼란은 흥미진진했습니다. 물리학자로서 그는 급격한 변동이 있는 시스템이 완벽하게 작동하는 시스템보다 훨씬 더 많은 정보를 제공할 수 있다고 느꼈습니다. 그는 “복잡하고 어떤 면에서는 혼란스럽기도 했지만 아름다웠다”고 말했다.
무작위이지만 동정적인 플래셔
동기화하는 반딧불이가 있는 학부 브러시에서 Peleg는 먼저 일본 물리학자가 제안한 모델을 통해 반딧불을 이해하는 방법을 배웠습니다. 구라모토 요시키. 이것은 동시성의 ur-모델이며, 인간 심장의 박동조율기 세포 그룹에서 교류에 이르기까지 모든 것에서 동시성이 어떻게 발생할 수 있는지를 설명하는 수학적 계획의 할아버지입니다.
가장 기본적으로 동기 시스템 모델은 두 가지 프로세스를 설명해야 합니다. 하나는 고립된 개인의 내부 역학입니다. 이 경우 항아리에 담긴 고독한 반딧불이가 깜박일 때를 결정하는 생리학적 또는 행동적 규칙에 의해 통제됩니다. 두 번째는 한 반딧불이의 섬광이 이웃에 영향을 미치는 방식인 수학자들이 커플링이라고 부르는 것입니다. 이 두 부분의 우연한 조합으로 서로 다른 에이전트의 불협화음이 신속하게 깔끔한 후렴구로 끌어들일 수 있습니다.
Kuramoto-esque 설명에서 각 개별 반딧불이는 고유한 선호 리듬을 가진 진동자로 취급됩니다. 반딧불이 안에 숨겨진 진자가 꾸준히 흔들리는 것으로 상상해보십시오. 진자가 호의 바닥을 휩쓸 때마다 버그가 깜박임을 상상해보십시오. 또한 이웃한 섬광을 보는 것이 반딧불이의 속도를 조절하는 진자를 앞이나 뒤로 약간 잡아당긴다고 가정해 보십시오. 반딧불이가 서로 동기화되지 않은 상태로 시작하거나 선호하는 내부 리듬이 개별적으로 다르더라도 이러한 규칙이 적용되는 집합체는 조정된 플래시 패턴으로 수렴되는 경우가 많습니다.
이 일반 체계에 대한 몇 가지 변형이 수년에 걸쳐 나타났으며, 각각은 내부 역학 및 결합 규칙을 조정했습니다. 1990년 Strogatz와 그의 동료 레니 미롤로 보스턴 칼리지(Boston College)의 연구진은 반딧불이와 같은 발진기의 매우 단순한 세트가 얼마나 많은 개인을 포함했는지에 상관없이 상호 연결하면 거의 항상 동기화된다는 것을 증명했습니다. 다음 해, Ermentrout은 그룹이 어떻게 익룡말라카에 동남아시아의 반딧불이는 내부 주파수를 높이거나 낮추어 동기화할 수 있습니다. 최근 2018년에 곤잘로 마르셀로 라미레스-아빌라 볼리비아에 있는 산 안드레스 고등 대학의 연구진은 반딧불이가 번쩍이는 동안 "충전" 상태와 "방전" 상태 사이를 왔다 갔다 하는 보다 복잡한 계획을 고안했습니다.
그러나 Peleg와 Sarfati의 카메라가 버스트 후 대기에서 XNUMX차원 데이터를 캡처하기 시작했을 때 Photinus carolinus 2019년 그레이트 스모키의 반딧불이를 분석한 결과 새로운 패턴이 나타났습니다.
하나는 파우스트와 다른 반딧불이 박물학자들이 오랫동안 보고해 온 사실에 대한 확인이었습니다. 섬광의 폭발은 종종 한 곳에서 시작하여 초당 약 XNUMX미터의 속도로 숲을 가로질러 폭포수처럼 쏟아집니다. 전염성 잔물결은 반딧불이의 결합이 전 지구적이지 않고(전체 떼가 연결된 상태에서) 순전히 지역적이지 않음(각 반딧불이가 가까운 이웃에만 관심을 가짐)이었음을 시사했습니다. 대신, 반딧불이는 거리 척도가 혼합된 다른 반딧불이에게 주의를 기울이는 것 같았습니다. 이것은 반딧불이가 시야가 끊기지 않는 범위 내에서 발생하는 섬광만을 볼 수 있기 때문일 수 있다고 Sarfati는 말했습니다. 숲에서는 초목이 방해가 되는 경우가 많습니다.
실제 반딧불이는 또한 각 개인을 주기적으로 취급하는 구라모토 맛 모델의 핵심 전제를 무시하는 것 같습니다. Peleg와 Sarfati가 싱글을 발표했을 때 피. 캐롤리누스 텐트 안의 반딧불이는 엄격한 리듬을 따르지 않고 무작위로 섬광을 터뜨렸습니다. 어떤 때는 몇 초, 어떤 때는 몇 분을 기다렸습니다. "그것은 이미 모든 기존 모델의 세계에서 당신을 데려갑니다"라고 Strogatz가 말했습니다.
그러나 팀이 15마리 이상의 반딧불이를 버리자, 텐트 전체가 약 XNUMX초 간격으로 집단 섬광으로 밝혀졌습니다. 동시성과 집단 주기성은 순전히 함께 어울려 노는 반딧불이의 산물이었다. ~ 안에 초안 지난 봄, 물리학자와 함께 작업한 Peleg 그룹인 biorxiv.org 사전 인쇄 서버에 업로드되었습니다. 스리비디아 아이어-비스와스 Purdue University와 Santa Fe Institute의 교수는 이것이 어떻게 일어날 수 있는지에 대한 새로운 모델을 제안했습니다.
방금 섬광을 내뿜는 고립된 반딧불이를 상상하고 다음 규칙을 고려하십시오. 지금 격리하면 다시 깜박이기 전에 임의의 간격을 기다립니다. 그러나 곤충이 가벼운 기관을 재충전하는 데 필요한 최소 대기 시간이 있습니다. 이 반딧불이는 또한 또래의 압력에 취약합니다. 다른 반딧불이가 깜박이기 시작하는 것을 보면 물리적으로 가능한 한 함께 깜박입니다.
이제 폭발 직후 고요한 어둠 속에서 반딧불이 전체를 상상해 보십시오. 각각은 충전 기간보다 더 긴 임의의 대기 시간을 선택합니다. 그러나 먼저 깜박이는 사람이 다른 모든 사람들에게 즉시 뛰어들도록 영감을 줍니다. 이 전체 프로세스는 필드가 어두워질 때마다 반복됩니다. 반딧불이의 수가 증가함에 따라 생물학적으로 가능한 한 빨리 적어도 한 마리가 무작위로 다시 플래시를 선택하고 나머지는 시작될 가능성이 점점 더 높아집니다. 결과적으로 버스트 사이의 시간은 최소 대기 시간으로 단축됩니다. 이 장면을 바라보는 모든 과학자들은 빛이 어둠 속으로 굴러가는 일정한 그룹 리듬처럼 보이는 것을 보게 될 것이고, 그 다음 어둠이 빛으로 분출하는 것을 보게 될 것입니다.
A 두 번째 사전 인쇄 Peleg 그룹에서 또 다른 이국적인 패턴을 발견했습니다. 사우스 캐롤라이나의 콩가리 국립공원에서 Peleg는 그녀의 팀이 동기화 반딧불에 대한 장비를 훈련할 때 이상한 점을 발견했습니다. 포투리스 프론탈리스. “정말로 박자에 맞지 않는 이 작은 반딧불이가 있다는 것을 눈으로 본 기억이 납니다. 그러나 그는 여전히 시간을 엄수한다”고 말했다.
팀의 분석에 따르면 반딧불이의 주요 합창이 리듬에 맞춰 번쩍이는 동안 완고한 아웃라이어들은 함께 연주하기를 거부했습니다. 그들은 같은 공간을 공유하고 자신들만의 시대로 번쩍였지만 주변의 교향곡과 위상이 달랐다. 때때로 이상치는 서로 동기화되는 것처럼 보였습니다. 때로는 비동기식으로 깜박였습니다. Peleg의 그룹은 이것을 2001년 Kuramoto가 처음 언급하고 Strogatz와 수학자에 의해 탐구된 동기화의 한 형태인 키메라 상태로 설명합니다. 다니엘 에이브람스 수학적으로 이상화된 형태로 2004년 노스웨스턴 대학교에서 박사 학위를 받았습니다. 몇 신경 과학자들의 보고서 특정 실험 조건에서 뇌 세포의 활동에서 이러한 종류의 키메라 동기화를 봤다고 주장하지만, 그렇지 않으면 지금까지 자연에서 관찰되지 않았습니다.
왜 자연이 더 균일한 동기화 상태보다 이러한 뒤죽박죽 상태의 동기화 상태의 진화를 선호하는지 아직 명확하지 않습니다. 그러나 기본적인 동시성조차도 항상 진화론적 미스터리를 제기했습니다. 혼합이 어떻게 개별 남성이 잠재적인 짝에게 눈에 띄는 데 도움이 될까요? Peleg는 수컷뿐만 아니라 암컷 반딧불이의 행동 패턴을 조사하는 연구가 유익할 수 있다고 제안했습니다. 그녀의 그룹은 피. 캐롤리누스 반딧불이이지만 아직 키메라에 취약하지 않습니다. P. 프론탈리스 종.
번개 버그 컴퓨터 과학
모델러의 경우 이제 관찰된 반딧불이 패턴을 새롭고 개선된 프레임워크에 캡슐화하기 위한 경쟁이 시작되었습니다. Ermentrout에는 다른 수학적 설명을 제공하는 검토 중인 논문이 있습니다. Photinus carolinus: 충전을 위한 필수 최소 시간 이상으로 순전히 임의의 시간을 기다리는 대신 버그가 시끄럽고 불규칙한 발진기일 뿐이라고 가정해 보겠습니다. 그런 다음 반딧불이는 함께 모였을 때만 깔끔하게 주기적인 깜박이처럼 행동하기 시작할 수 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션에서 이 모델은 Peleg 그룹의 데이터와도 일치합니다. Ermentrout은 "우리가 프로그래밍하지 않았지만 파도와 같은 것들이 나타납니다.
Peleg와 Sarfati의 저렴한 카메라 및 알고리즘 시스템은 반딧불 연구를 발전시키고 민주화하는 데 크게 도움이 될 수 있다고 생물학자들은 말합니다. 반딧불이는 섬광으로 종을 구분하는 것이 가장 열성적인 연구원과 열성 애호가를 제외하고는 모두 어렵기 때문에 야생에서 연구하기 어렵습니다. 이로 인해 많은 번개 벌레 종이 멸종 위기에 처해 있다는 두려움이 고조되는 동안에도 반딧불이 개체군의 범위와 풍부함을 측정하는 것이 어렵습니다. 새로운 설정을 통해 반딧불이 깜박이는 데이터를 더 쉽게 수집, 분석 및 공유할 수 있습니다.
2021년에 Sarfati는 이 시스템을 사용하여 애리조나에서 현지 종이 포티누스 널리 반딧불이가 충분히 모이면 동기화할 수 있습니다. 올해 Peleg의 연구실은 미국 전역의 반딧불이 연구자들에게 카메라 시스템 사본 10개를 보냈습니다. 이제 그들은 지난 여름에 XNUMX종에 의해 제작된 라이트 쇼에서 데이터를 수집하고 있습니다. 보전 노력을 강화하기 위해 Peleg 연구소의 기계 학습 연구원 그룹은 기록된 영상의 플래시 패턴에서 종을 식별하는 알고리즘을 훈련하려고 합니다.
만화 같은 반딧불이 모델은 수십 년 동안 수학 이론에 영감을 주었습니다. Peleg는 현재 부상하고 있는 보다 미묘한 진실이 결과적으로 유사하기를 희망합니다.
Moiseff는 그 희망을 공유합니다. 반딧불이는 "우리가 존재하기도 전에 컴퓨터 과학을 잘 해왔습니다."라고 그는 말했습니다. 그들이 동기화하는 방법을 배우면 다른 생물에서도 자기 조직화 행동을 더 잘 이해할 수 있습니다.
편집자 주 : Steven Strogatz는 호스트입니다. 콴타의 기쁨의 이유 팟캐스트와 회원 콴타의 자문위원회.
