In Japanse volkstradities symboliseren ze vertrekkende zielen of stille, vurige liefde. Sommige inheemse culturen in de Peruaanse Andes beschouwen ze als de ogen van geesten. En in verschillende westerse culturen zijn vuurvliegjes, glimwormen en andere bioluminescente kevers in verband gebracht met een oogverblindende en soms tegenstrijdige reeks metaforische associaties: "jeugd, gewas, onheil, elfen, angst, verandering van leefgebied, idylle, liefde, geluk, sterfte, prostitutie, zonnewende, sterren en vluchtigheid van woorden en cognitie”, zoals een recensie uit 2016 opmerkte.
Natuurkundigen vereren vuurvliegjes om redenen die misschien net zo mystiek lijken: van de ongeveer 2,200 soorten die over de hele wereld zijn verspreid, heeft een handvol het gedocumenteerde vermogen om synchroon te flitsen. In Maleisië en Thailand kunnen met vuurvliegjes bezaaide mangrovebomen knipperen op de maat alsof ze zijn opgehangen met kerstverlichting; elke zomer kabbelen in Appalachia golven van angstaanjagende concordantie over velden en bossen. Het licht van de vuurvliegjes lokt partners en massa's menselijke toeristen, maar ze hebben ook bijgedragen tot enkele van de meest fundamentele pogingen om synchronisatie te verklaren, de alchemie waarmee uitgebreide coördinatie voortkomt uit zelfs zeer eenvoudige afzonderlijke delen.
Ofwel Peleg herinnert zich toen ze voor het eerst het mysterie van synchrone vuurvliegjes ontmoette als student natuurkunde en informatica. De vuurvliegjes werden gepresenteerd als een voorbeeld van hoe eenvoudige systemen synchronisatie bereiken in Niet-lineaire dynamiek en chaos, een leerboek van de wiskundige Steven Strogatz die haar klas gebruikte. Peleg had zelfs nog nooit een vuurvlieg gezien, omdat ze ongebruikelijk zijn in Israël, waar ze opgroeide.
"Het is gewoon zo mooi dat het op de een of andere manier jarenlang in mijn hoofd is blijven hangen", zei ze. Maar tegen de tijd dat Peleg haar eigen laboratorium begon, waarbij ze computationele benaderingen toepast op biologie aan de Universiteit van Colorado en aan het Santa Fe Institute, had ze geleerd dat, hoewel vuurvliegjes veel wiskunde hadden geïnspireerd, kwantitatieve gegevens die beschrijven wat de insecten eigenlijk aan het doen waren schaars.
Ze ging aan de slag om dat op te lossen. In de afgelopen twee jaar heeft een reeks artikelen van Peleg's groep een brandslang geopend met real-world gegevens over synchronie in meerdere soorten vuurvliegjes op meerdere onderzoekslocaties, en met een veel hogere resolutie dan eerdere modelbouwers of biologen hadden weten te bereiken. "Behoorlijk verbazingwekkend" is hoe de wiskundige bioloog Bard Ermentrout aan de Universiteit van Pittsburgh beschreef de resultaten van het team om Quanta. "Ik werd weggeblazen", zei Andreas Moiseff, een bioloog aan de Universiteit van Connecticut.
Deze artikelen stellen vast dat echte vuurvliegzwermen afwijken van de wiskundige idealiseringen die decennialang door tijdschriften en studieboeken flitsten. Bijna elk model voor vuurvliegsynchronisatie dat ooit is bedacht, gaat er bijvoorbeeld van uit dat elke vuurvlieg zijn eigen interne metronoom behoudt. Een preprint van de groep van Peleg gepost in maart, toonde echter aan dat in ten minste één soort individuele vuurvliegjes geen intrinsiek ritme hebben, en het stelde dat een collectieve beat alleen voortkomt uit de spookachtige synergie van vele verzamelde blikseminsecten. Een nog recentere preprint, voor het eerst geüpload in mei en vorige week bijgewerkt, gedocumenteerd a zeldzaam type synchronisatie die wiskundigen een hersenschim noemen, die heeft bijna nooit waargenomen in de echte wereld buiten gekunstelde experimenten.
Firefly-biologen hopen dat de nieuwe methoden de wetenschap en het behoud van vuurvliegjes zullen hervormen. Wiskundigen die theorieën over synchronie naar buiten brengen, zoals de theorieën die Strogatz in zijn leerboek beschreef, hebben ondertussen al lang modellen ontwikkeld zonder veel experimentele feedback van rommelige real-world synchronisatoren. "Dat is de grote doorbraak", zegt Strogatz, een professor in de wiskunde aan de Cornell University. "Nu kunnen we beginnen met het sluiten van de cirkel."
Het ongrijpbare bewijs van synchronisatie
Berichten over vuurvliegjes die eenstemmig opflakkeren in Zuidoost-Azië, sijpelden eeuwenlang terug in het westerse wetenschappelijke discours. Duizenden vuurvliegjes, genaamd kelip-kelip in Maleisië - hun naam is een soort visuele onomatopee voor hun fonkeling - kunnen zich vestigen op bomen langs de rivier. "Hun licht brandt en wordt gedoofd door een gemeenschappelijke sympathie", een Britse diplomaat die door Thailand reist schreef in 1857. "Op een gegeven moment lijkt elk blad en elke tak versierd met diamantachtig vuur."
Niet iedereen accepteerde deze rapporten. "Als zoiets onder insecten gebeurt, is dat zeker in strijd met alle natuurwetten", een brief aan het tijdschrift Wetenschap klaagde in 1917, met het argument dat het schijnbare effect in plaats daarvan werd veroorzaakt door onwillekeurig knipperen van de kijker. Maar tegen de jaren zestig bevestigden bezoekende vuurvliegonderzoekers door kwantitatieve analyse wat lokale schippers in mangrovemoerassen al lang wisten.
Een soortgelijk scenario speelde zich af in de jaren negentig, toen een natuuronderzoeker uit Tennessee genaamd Lynn Faust lees de zelfverzekerde gepubliceerde bewering van een wetenschapper genaamd Jon Copeland dat er geen synchrone vuurvliegjes waren in Noord-Amerika. Faust wist toen dat wat ze al tientallen jaren in de nabijgelegen bossen had gadegeslagen, iets opmerkelijks was.
Faust nodigde Copeland en Moiseff, zijn medewerker, uit om een soort te zien in de Great Smoky Mountains genaamd Photinus carolinus. Wolken van mannelijke vuurvliegjes vullen bossen en open plekken, drijvend op ongeveer menselijke hoogte. In plaats van nauw gecoördineerd te knipperen, zenden deze vuurvliegjes binnen een paar seconden een uitbarsting van snelle flitsen uit, waarna ze een paar keer zo lang stil worden voordat ze weer een uitbarsting verliezen. (Stel je een menigte paparazzi voor die wachten tot beroemdheden met regelmatige tussenpozen verschijnen, bij elke verschijning een salvo van foto's maken en vervolgens met hun duimen draaien in de downtime.)
De experimenten van Copeland en Moiseff toonden aan dat geïsoleerde P.carolinus vuurvliegjes probeerden echt op de maat te flitsen met een naburige vuurvlieg - of een knipperende LED - in een nabijgelegen pot. Het team heeft ook hooggevoelige videocamera's opgesteld aan de randen van velden en open plekken in bossen om flitsen op te nemen. Copeland ging beeld voor beeld door de beelden en telde hoeveel vuurvliegjes er op elk moment werden verlicht. Statistische analyse van deze zorgvuldig verzamelde gegevens bewees dat alle vuurvliegjes in het zicht van de camera's op een scène echt flitsuitbarstingen uitzonden met regelmatige, gecorreleerde tussenpozen.
Twee decennia later, toen Peleg en haar postdoc, de natuurkundige... Rafaël Sarfati, om gegevens over vuurvliegjes te verzamelen, was er betere technologie beschikbaar. Ze ontwierpen een systeem van twee GoPro-camera's die een paar meter uit elkaar waren geplaatst. Omdat de camera's 360-graden video maakten, konden ze de dynamiek van een zwerm vuurvliegjes van binnenuit vastleggen, niet alleen vanaf de zijkant. In plaats van de flitsen met de hand te tellen, bedacht Sarfati verwerkingsalgoritmen die de flitsen van vuurvliegjes die door beide camera's werden vastgelegd konden trianguleren en vervolgens niet alleen vastleggen wanneer elke knippering plaatsvond, maar ook waar deze plaatsvond in de driedimensionale ruimte.
Sarfati bracht dit systeem in juni 2019 voor het eerst in het veld in Tennessee voor de P.carolinus vuurvliegjes die Faust beroemd had gemaakt. Het was de eerste keer dat hij het spektakel met eigen ogen zag. Hij had zich zoiets voorgesteld als de strakke scènes van vuurvliegsynchronisatie uit Azië, maar de uitbarstingen van Tennessee waren rommeliger, met uitbarstingen van maximaal acht snelle flitsen van ongeveer vier seconden die ruwweg elke 12 seconden werden herhaald. Maar die rommeligheid was opwindend: als natuurkundige had hij het gevoel dat een systeem met wilde fluctuaties veel informatiever zou kunnen zijn dan een systeem dat zich perfect gedroeg. "Het was complex, het was in zekere zin verwarrend, maar ook mooi", zei hij.
Willekeurige maar sympathieke flitsers
In haar niet-gegradueerde penseel met synchroniserende vuurvliegjes, leerde Peleg ze eerst te begrijpen door middel van een model voorgesteld door de Japanse natuurkundige Yoshiki Kuramoto. Dit is het ur-model van synchronie, de grootvader van wiskundige schema's die verklaren hoe synchronisatie kan ontstaan, vaak onverbiddelijk, in alles van groepen pacemakercellen in het menselijk hart tot wisselstromen.
In hun meest elementaire vorm moeten modellen van synchrone systemen twee processen beschrijven. Een daarvan is de innerlijke dynamiek van een geïsoleerd individu - in dit geval een eenzame vuurvlieg in een pot, beheerst door een fysiologische of gedragsregel die bepaalt wanneer hij flitst. De tweede is wat wiskundigen koppeling noemen, de manier waarop de flits van een vuurvlieg zijn buren beïnvloedt. Met toevallige combinaties van deze twee delen kan een kakofonie van verschillende agenten zich snel in een net refrein samentrekken.
In een Kuramoto-achtige beschrijving wordt elke individuele vuurvlieg behandeld als een oscillator met een intrinsiek voorkeursritme. Stel je vuurvliegjes voor alsof ze een verborgen slinger in zich hebben; stel je voor dat een kever flitst elke keer dat zijn slinger door de onderkant van zijn boog zwaait. Veronderstel ook dat het zien van een naburige flits de tempobepalende slinger van een vuurvlieg een beetje naar voren of naar achteren trekt. Zelfs als de vuurvliegjes niet synchroon met elkaar beginnen, of als hun interne voorkeursritmes individueel verschillen, zal een collectief dat door deze regels wordt beheerst vaak samenkomen in een gecoördineerd flitspatroon.
In de loop der jaren zijn er verschillende variaties op dit algemene schema ontstaan, die elk de regels van interne dynamiek en koppeling hebben aangepast. In 1990, Strogatz en zijn collega Rennie Mirollo van Boston College bewees dat een zeer eenvoudige set vuurvliegachtige oscillatoren bijna altijd zou synchroniseren als je ze met elkaar zou verbinden, ongeacht het aantal individuen dat je opneemt. Het jaar daarop beschreef Ermentrout hoe groepen Pteroptyx malakka vuurvliegjes in Zuidoost-Azië kunnen synchroniseren door hun interne frequenties te versnellen of te vertragen. In 2018 heeft een groep onder leiding van Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila van de Hogere Universiteit van San Andrés in Bolivia bedacht een ingewikkelder schema waarin vuurvliegjes heen en weer schakelden tussen een "opladende" staat en een "ontladende" staat waarin ze flitsten.
Maar toen de camera's van Peleg en Sarfati begonnen met het vastleggen van driedimensionale gegevens van de burst-dan-wait Photinus carolinus vuurvliegjes in de Great Smokies in 2019, onthulden hun analyses nieuwe patronen.
Een daarvan was de bevestiging van iets dat Faust en andere natuuronderzoekers van vuurvliegjes al lang hadden gemeld: een uitbarsting van flitsen begon vaak op één plek en stroomde dan door het bos met ongeveer een halve meter per seconde. De besmettelijke rimpelingen suggereerden dat de koppeling van vuurvliegjes niet globaal was (met de hele zwerm verbonden) noch puur lokaal (waarbij elke vuurvlieg alleen om naaste buren gaf). In plaats daarvan leken de vuurvliegjes aandacht te schenken aan andere vuurvliegjes op verschillende afstandsschalen. Dit kan zijn omdat de vuurvliegjes alleen flitsen kunnen zien die plaatsvinden binnen een ononderbroken zichtlijn, zei Sarfati; in de bossen staat vegetatie vaak in de weg.
Echte vuurvliegjes lijken ook in strijd te zijn met de kernpremisse van modellen met Kuramoto-smaak, die elk individu als periodiek behandelen. Toen Peleg en Sarfati een single uitbrachten P.carolinus vuurvlieg in een tent, stootte het willekeurig uitbarstingen van flitsen in plaats van een strikt ritme te volgen. Soms wachtte het maar een paar seconden, soms een paar minuten. "Dat haalt je al uit het universum van alle bestaande modellen", zei Strogatz.
Maar zodra het team 15 of meer vuurvliegjes had gedumpt, lichtte de hele tent op met collectieve flitsuitbarstingen met een tussenruimte van ongeveer een dozijn seconden. De synchronie en de groepsperiodiciteit waren puur opkomende producten van de vuurvliegjes die samen rondhingen. In een ontwerpdocument afgelopen lente geüpload naar de preprint-server van biorxiv.org, de Peleg-groep, in samenwerking met de natuurkundige Srividya Iyer-Biswas van Purdue University en het Santa Fe Institute, suggereerde een gloednieuw model voor hoe dit zou kunnen gebeuren.
Stel je een geïsoleerde vuurvlieg voor die zojuist een uitbarsting van flitsen heeft uitgezonden en overweeg de volgende regels. Als u het nu sequestreert, wacht het een willekeurig interval voordat het opnieuw knippert. Er is echter een minimale wachttijd die het insect nodig heeft om zijn lichtorganen weer op te laden. Deze vuurvlieg is ook vatbaar voor groepsdruk: als hij ziet dat een andere vuurvlieg begint te flitsen, zal hij ook flitsen, zolang hij fysiek kan.
Stel je nu een heel veld vuurvliegjes voor in de stille duisternis, onmiddellijk na een uitbarsting. Elk kiest een willekeurige wachttijd die langer is dan de oplaadperiode. Wie het eerst flitst, inspireert echter alle anderen om er meteen in te springen. Dit hele proces herhaalt zich elke keer dat het veld donker wordt. Naarmate het aantal vuurvliegjes toeneemt, wordt het steeds waarschijnlijker dat ten minste één willekeurig ervoor kiest om opnieuw te flitsen zodra het biologisch mogelijk is, en dat zal de rest doen opleven. Als gevolg hiervan wordt de tijd tussen bursts korter naar de minimale wachttijd. Alle wetenschappers die naar dit tafereel staren, zullen zien wat lijkt op een gestadig groepsritme van licht dat de duisternis in rolt en vervolgens de duisternis losbarst met licht.
A tweede voordruk van de Peleg-groep ontdekte een ander exotisch patroon. In Congaree National Park in South Carolina merkte Peleg iets vreemds op toen haar team hun uitrusting trainde op de synchroniserende vuurvlieg Photuris frontalis. "Ik herinner me dat ik vanuit mijn ooghoeken zag dat er een kleine vuurvlieg is die echt niet op de maat is. Maar hij is nog steeds op tijd', zei ze.
De analyse van het team toonde aan dat terwijl een hoofdkoor van de vuurvliegjes in het ritme flitste, koppige uitbijters weigerden mee te spelen. Ze deelden dezelfde ruimte en flitsten met hun eigen periode, maar ze waren uit fase met de omringende symfonie. Soms leken de uitbijters met elkaar te synchroniseren; soms flitsten ze gewoon asynchroon. De groep van Peleg beschrijft dit als een hersenschim, een vorm van synchronie die voor het eerst werd opgemerkt door Kuramoto in 2001 en onderzocht door Strogatz en de wiskundige Daniël Abrams van Northwestern University in 2004 in een wiskundig geïdealiseerde vorm. Een paar rapporten van neurowetenschappers beweren dit soort chimere synchronie in de activiteit van hersencellen onder bepaalde experimentele omstandigheden te hebben gezien, maar verder is het tot nu toe niet in de natuur waargenomen.
Het is nog niet duidelijk waarom de natuur de voorkeur geeft aan de evolutie van deze mengelmoes van synchronisatie in plaats van een meer uniforme. Maar zelfs basale synchroniciteit heeft altijd een evolutionair mysterie gevormd: hoe helpt het opgaan in een individuele man om op te vallen voor een potentiële partner? Peleg suggereerde dat onderzoeken naar de gedragspatronen van vrouwelijke vuurvliegjes en niet alleen de mannetjes informatief zouden kunnen zijn. Haar groep is begonnen dat te doen met de P.carolinus vuurvliegjes, maar nog niet met de chimera-gevoelige P.frontalis species.
Bliksem-bug computerwetenschap
Voor modelbouwers is de race nu begonnen om de waargenomen vuurvliegpatronen in nieuwe en verbeterde kaders in te kapselen. Ermentrout heeft een artikel in behandeling dat een andere wiskundige beschrijving geeft van: Photinus carolinus: Stel dat de bugs in plaats van een puur willekeurige hoeveelheid tijd na het verplichte minimum te wachten met opladen, gewoon luidruchtige, onregelmatige oscillatoren zijn? De vuurvliegjes kunnen zich dan alleen als keurig periodieke flitsers gaan gedragen als ze bij elkaar zijn verzameld. In computersimulaties komt dit model ook overeen met de gegevens van de Peleg-groep. "Ook al hebben we het niet geprogrammeerd, dingen zoals de golven komen naar voren", zei Ermentrout.
Het goedkope camera- en algoritmesysteem van Peleg en Sarfati kan enorm helpen om het onderzoek naar vuurvliegjes vooruit te helpen - en te democratiseren, zeggen biologen. Vuurvliegjes zijn moeilijk te bestuderen in het wild, omdat het moeilijk is om soorten te onderscheiden door hun flitsen, behalve voor de meest toegewijde onderzoekers en hardcore hobbyisten. Dit maakt het meten van het bereik en de overvloed aan vuurvliegpopulaties een uitdaging, zelfs terwijl de angst toeneemt dat veel soorten blikseminsecten op het punt staan uit te sterven. De nieuwe opstelling kan het verzamelen, analyseren en delen van gegevens over vuurvliegjes gemakkelijker maken.
In 2021 gebruikte Sarfati het systeem om een rapport uit Arizona te bevestigen dat de lokale soort Photinus knulli kan synchroniseren wanneer genoeg van de vuurvliegjes samenkomen. Dit jaar stuurde het laboratorium van Peleg 10 exemplaren van het camerasysteem naar vuurvliegonderzoekers in de hele VS. Ze nemen nu gegevens op van de lichtshows die afgelopen zomer door acht soorten zijn geproduceerd. Met het oog op het stimuleren van instandhoudingsinspanningen, probeert een groep machine learning-onderzoekers in het Peleg-lab een algoritme te trainen om soorten te identificeren aan de hand van de flitspatronen in de opgenomen beelden.
Cartoonachtige modellen van vuurvliegjes inspireerden decennia lang de wiskundige theorie; Peleg hoopt dat de meer genuanceerde waarheden die nu aan het licht komen, even consequent zullen zijn.
Moiseff deelt die hoop. Vuurvliegjes "doen al goed aan computerwetenschap voordat we zelfs maar bestonden", zei hij. Leren hoe ze synchroniseren, kan ook leiden tot een beter begrip van zelforganiserend gedrag in andere levende wezens.
Noot van de redactie: Steven Strogatz is de gastheer van Quanta's Vreugde van waarom podcast en lid van Quanta's adviesraad.
