I japanske folketradisjoner symboliserer de avgående sjeler eller stille, glødende kjærlighet. Noen urfolkskulturer i de peruanske Andesfjellene ser på dem som spøkelsers øyne. Og på tvers av ulike vestlige kulturer har ildfluer, glødeormer og andre selvlysende biller blitt knyttet til en blendende og til tider motstridende rekke metaforiske assosiasjoner: «barndom, avling, undergang, alver, frykt, habitatendring, idyll, kjærlighet, flaks, dødelighet, prostitusjon, solhverv, stjerner og flyktighet av ord og erkjennelse,» som en anmeldelse fra 2016 bemerket.
Fysikere ærer ildfluer av grunner som kan virke like mystiske: Av de rundt 2,200 artene som er spredt rundt i verden, har en håndfull den dokumenterte evnen til å blinke synkront. I Malaysia og Thailand kan ildfluebesatt mangrovetrær blinke i takt som om de var trukket opp med julelys; hver sommer i Appalachia rister bølger av uhyggelig konkordans over jorder og skoger. Ildfluenes lys viser å lokke kamerater og mengder av menneskelige sightseere, men de har også bidratt til å utløse noen av de mest grunnleggende forsøkene på å forklare synkronisering, alkymien der forseggjort koordinering oppstår fra selv veldig enkle enkeltdeler.
Orit Peleg husker da hun første gang møtte mysteriet med synkrone ildfluer da hun studerte fysikk og informatikk. Ildfluene ble presentert som et eksempel på hvordan enkle systemer oppnår synkronisering i Ikke-lineær dynamikk og kaos, en lærebok av matematikeren Steven Strogatz som klassen hennes brukte. Peleg hadde aldri sett en ildflue, siden de er uvanlige i Israel, hvor hun vokste opp.
"Det er bare så vakkert at det på en eller annen måte har sittet fast i hodet mitt i mange, mange år," sa hun. Men da Peleg startet sitt eget laboratorium, og brukte beregningsmetoder til biologi ved University of Colorado og ved Santa Fe Institute, hadde hun lært at selv om ildfluer hadde inspirert mye matematikk, var kvantitative data som beskrev hva insektene faktisk gjorde. snaut.
Hun satte seg for å fikse det. I løpet av de siste to årene har en serie artikler fra Pelegs gruppe åpnet en brannslange med data fra den virkelige verden om synkronisering i flere ildfluearter på flere studiesteder, og med en mye høyere oppløsning enn tidligere modellbyggere eller biologer hadde klart. "Ganske forbløffende" er hvordan den matematiske biologen Bard Ermentrout ved University of Pittsburgh beskrev teamets resultater til Quanta. "Jeg ble blåst bort," sa Andrew Moiseff, en biolog ved University of Connecticut.
Disse papirene fastslår at ekte ildfluesvermer avviker fra de matematiske idealiseringene som har fløyet gjennom tidsskrifter og lærebøker i flere tiår. Nesten hver eneste modell for ildfluesynkronisering som noen gang er laget, antar for eksempel at hver ildflue opprettholder sin egen interne metronom. Et fortrykk som Pelegs gruppe lagt ut i mars, men viste at i minst én art, har individuelle ildfluer ingen iboende rytme, og den hevdet at en kollektiv beat bare oppstår fra den skumle synergien til mange lynfeil samlet sammen. An enda nyere forhåndstrykk, først lastet opp i mai og oppdatert i forrige uke, dokumenterte en sjelden type synkronisering som matematikere kaller en kimærtilstand, som har nesten aldri blitt observert i den virkelige verden utenfor konstruerte eksperimenter.
Ildfluebiologer håper de nye metodene vil omforme vitenskapen og bevaringen av ildfluer. Matematikere som har satt i gang teorier om synkroni som de som Strogatz beskrev i læreboken sin, har i mellomtiden for lengst spunnet ut modeller uten mye eksperimentell tilbakemelding fra rotete synkronisatorer fra den virkelige verden. "Det er det store gjennombruddet," sa Strogatz, professor i matematikk ved Cornell University. "Nå kan vi begynne å lukke sløyfen."
Det unnvikende beviset på synkroni
Rapporter om ildfluer som blusset unisont i Sørøst-Asia filtrert tilbake til vestlig vitenskapelig diskurs i århundrer. Tusenvis av ildfluer, ringt kelip-kelip i Malaysia - navnet deres er en slags visuell onomatopoeia for deres blinking - kan slå seg ned på trær ved elvebredden. "Lyset deres brenner og slukkes av en felles sympati," en britisk diplomat på turné i Thailand skrev i 1857. "På ett øyeblikk ser hvert blad og hver gren ut dekorert med diamantlignende ild."
Ikke alle godtok disse rapportene. "At slikt forekommer blant insekter er absolutt i strid med alle naturlover," et brev til tidsskriftet Vitenskap klaget i 1917 og hevdet at den tilsynelatende effekten i stedet var forårsaket av seerens ufrivillige blunking. Likevel på 1960-tallet bekreftet besøkende ildflueforskere gjennom kvantitativ analyse det lokale båtfolk i mangrovesumper lenge hadde visst.
Et lignende scenario utspilte seg på 1990-tallet, da en naturforsker fra Tennessee kalte Lynn Faust les den selvsikre publiserte påstanden til en vitenskapsmann ved navn Jon Copeland at det ikke fantes synkrone ildfluer i Nord-Amerika. Faust visste da at det hun hadde sett i flere tiår i skogen i nærheten var noe bemerkelsesverdig.
Faust inviterte Copeland og Moiseff, hans samarbeidspartner, til å se en art i Great Smoky Mountains kalt Photinus carolinus. Skyer av mannlige ildfluer fyller skoger og lysninger, og flyter på omtrent menneskelig høyde. I stedet for å blinke i tett koordinasjon, avgir disse ildfluene et utbrudd av raske blink i løpet av noen få sekunder, og blir deretter stille flere ganger så lenge før de mister et nytt utbrudd. (Se for deg en mengde paparazzier som venter på at kjendiser skal dukke opp med jevne mellomrom, knipser en salve med bilder ved hver opptreden, og deretter vrir tommelen i nedetiden.)
Copeland og Moiseffs eksperimenter viste det isolert P. carolinus ildfluer prøvde virkelig å blinke på beat med en nærliggende ildflue - eller en blinkende LED - i en krukke i nærheten. Teamet satte også opp høyfølsomme videokameraer i kantene av jorder og skoglysninger for å ta opp blits. Copeland gikk gjennom opptakene bilde for bilde, og talte hvor mange ildfluer som ble opplyst i hvert øyeblikk. Statistisk analyse av disse møysommelig innsamlede dataene viste at alle ildfluene innenfor kameraets syn på en scene virkelig sendte ut blitsutbrudd med jevne, korrelerte intervaller.
To tiår senere, da Peleg og hennes postdoktor, fysikeren Raphaël Sarfati, satt ut for å samle ildfluedata, var bedre teknologi tilgjengelig. De designet et system med to GoPro-kameraer plassert noen få meter fra hverandre. Fordi kameraene tok 360-graders video, kunne de fange dynamikken til en ildfluesverm innenfra, ikke bare fra siden. I stedet for å telle blits for hånd, utviklet Sarfati prosesseringsalgoritmer som kunne triangulere på ildflueblits fanget av begge kameraene og deretter registrere ikke bare når hvert blink skjedde, men hvor det skjedde i tredimensjonalt rom.
Sarfati brakte først dette systemet i feltet i Tennessee i juni 2019 for P. carolinus ildfluer som Faust hadde gjort kjent. Det var første gang han så skuespillet med egne øyne. Han hadde sett for seg noe sånt som de stramme scenene med ildfluesynkronisering fra Asia, men Tennessee-utbruddene var mer rotete, med utbrudd på opptil åtte raske blink over omtrent fire sekunder som ble gjentatt omtrent hvert 12. sekund. Likevel var det rotet spennende: Som fysiker følte han at et system med ville svingninger kunne vise seg å være langt mer informativt enn et som oppførte seg perfekt. "Det var komplekst, det var forvirrende på en måte, men også vakkert," sa han.
Tilfeldige, men sympatiske blink
I sin grunnskole med synkroniserende ildfluer lærte Peleg først å forstå dem gjennom en modell foreslått av den japanske fysikeren Yoshiki Kuramoto. Dette er ur-modellen for synkroni, bestefaren til matematiske skjemaer som forklarer hvordan synkroni kan oppstå, ofte ubønnhørlig, i alt fra grupper av pacemakerceller i menneskelige hjerter til vekselstrømmer.
På sitt mest grunnleggende må modeller av synkrone systemer beskrive to prosesser. Den ene er den indre dynamikken til et isolert individ - i dette tilfellet en ensom ildflue i en krukke, styrt av en fysiologisk eller atferdsmessig regel som bestemmer når den blinker. Den andre er det matematikere kaller kobling, måten glimtet til en ildflue påvirker naboene. Med tilfeldige kombinasjoner av disse to delene kan en kakofoni av ulike agenter raskt trekke seg inn i et pent refreng.
I en Kuramoto-aktig beskrivelse blir hver enkelt ildflue behandlet som en oscillator med en iboende foretrukket rytme. Se for deg at ildfluer har en skjult pendel som svinger jevnt inne i dem; Tenk deg at en insekt blinker hver gang pendelen sveiper gjennom bunnen av buen. Anta også at det å se en naboblits trekker en ildflues tempoinnstillingspendel litt frem eller tilbake. Selv om ildfluene starter usynkronisert med hverandre, eller deres foretrukne interne rytmer varierer individuelt, vil et kollektiv som styres av disse reglene ofte konvergere på et koordinert blinkmønster.
Flere variasjoner av dette generelle opplegget har dukket opp gjennom årene, hver med å justere reglene for intern dynamikk og kobling. I 1990, Strogatz og hans kollega Rennie Mirollo fra Boston College viste at et veldig enkelt sett med ildfluelignende oscillatorer nesten alltid ville synkroniseres hvis du koblet dem sammen, uansett hvor mange individer du inkluderte. Det neste året beskrev Ermentrout hvordan grupper av Pteroptyx malaccae ildfluer i Sørøst-Asia kan synkronisere ved å øke hastigheten eller senke deres interne frekvenser. Så sent som i 2018 ble en gruppe ledet av Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila ved det høyere universitetet i San Andrés i Bolivia utviklet et mer komplisert opplegg der ildfluer vekslet frem og tilbake mellom en "ladetilstand" og en "utladende" tilstand der de blinket.
Men da Peleg og Sarfatis kameraer begynte å fange tredimensjonale data fra burst-så-vent Photinus carolinus ildfluer i Great Smokies i 2019, avslørte analysene deres nye mønstre.
Den ene var bekreftelsen på noe som Faust og andre ildfluenaturforskere lenge hadde rapportert: Et utbrudd av glimt startet ofte på ett sted og deretter fosset gjennom skogen med omtrent en halv meter per sekund. De smittsomme krusningene antydet at koblingen av ildfluer verken var global (med hele svermen tilkoblet) eller rent lokal (med hver ildflue som bare brydde seg om nære naboer). I stedet så det ut til at ildfluene tok hensyn til andre ildfluer på en blanding av avstandsskalaer. Dette kan være fordi ildfluene bare kan se blink som oppstår innenfor en ubrutt siktlinje, sa Sarfati; i skogene er det ofte vegetasjon som kommer i veien.
Ekte ildfluer ser også ut til å håne kjernepremisset til modeller med Kuramoto-smak, som behandler hvert individ som periodisk. Da Peleg og Sarfati ga ut en singel P. carolinus ildflue i et telt, sendte den ut tilfeldige blink i stedet for å følge en streng rytme. Noen ganger ventet den bare noen sekunder, andre ganger noen minutter. "Det tar deg allerede ut av universet til alle eksisterende modeller," sa Strogatz.
Men når teamet dumpet inn 15 eller flere ildfluer, lyste hele teltet opp med kollektive blitzutbrudd med omtrent et dusin sekunders mellomrom. Synkronien og gruppeperiodisiteten var rent fremvoksende produkter av ildfluene som hang sammen. I et utkast til papir lastet opp til biorxiv.org preprint-serveren i fjor vår, Peleg-gruppen, i samarbeid med fysikeren Srividya Iyer-Biswas fra Purdue University og Santa Fe Institute, foreslo en helt ny modell for hvordan dette kunne skje.
Se for deg en isolert ildflue som nettopp har sendt ut et utbrudd av blink, og vurder følgende regler. Hvis du sekvestrerer den nå, vil den vente et tilfeldig intervall før den blinker igjen. Det er imidlertid en minimums ventetid som insektet trenger for å lade opp lysorganene sine. Denne ildfluen er også utsatt for gruppepress: Hvis den ser en annen ildflue som begynner å blinke, vil den også blinke, så lenge den fysisk kan.
Se nå for deg et helt felt med ildfluer i det stille mørket umiddelbart etter et utbrudd. Hver enkelt velger en tilfeldig ventetid som er lengre enn ladeperioden. Den som blinker først, inspirerer imidlertid alle de andre til å hoppe inn umiddelbart. Hele denne prosessen gjentas hver gang feltet blir mørkt. Etter hvert som antallet ildfluer øker, blir det stadig mer sannsynlig at minst én tilfeldig velger å blinke igjen så snart det er biologisk mulig, og det vil sette i gang resten. Som et resultat blir tiden mellom utbruddene kortere mot minimum ventetid. Alle forskere som stirrer på denne scenen vil se det som ser ut som en jevn gruppe-rytme av lys som ruller inn i mørket, og deretter mørket bryter ut med lys.
A andre forhåndstrykk fra Peleg-gruppen avdekket et annet eksotisk mønster. I Congaree National Park i South Carolina la Peleg merke til noe rart da teamet hennes trente utstyret sitt på den synkroniserende ildfluen Phototuris frontalis. «Jeg husker at jeg så ut av øyekroken at det er denne lille ildfluen som virkelig ikke er på beat. Men han er fortsatt punktlig, sa hun.
Lagets analyse viste at mens et hovedkor av ildfluene blinket i rytme, nektet sta uteliggere å spille med. De delte det samme rommet og blinket med sin egen periode, men de var ute av fase med den omkringliggende symfonien. Noen ganger så ut til å synkronisere med hverandre; noen ganger blinket de bare asynkront. Pelegs gruppe beskriver dette som en kimærtilstand, en form for synkroni først notert av Kuramoto i 2001 og utforsket av Strogatz og matematikeren Daniel Abrams fra Northwestern University i 2004 i en matematisk idealisert form. Noen rapporter fra nevroforskere hevder å ha sett denne typen kimærsynkronisering i aktiviteten til hjerneceller under visse eksperimentelle forhold, men ellers har den ikke blitt observert i naturen før nå.
Det er ennå ikke klart hvorfor naturen vil favorisere utviklingen av denne hodgepodge-tilstanden for synkronisering i stedet for en mer enhetlig. Men selv grunnleggende synkronisering har alltid utgjort et evolusjonært mysterium: Hvordan hjelper det å blande inn en individuell mann til å skille seg ut for en potensiell partner? Peleg foreslo at studier som ser på atferdsmønstrene til kvinnelige ildfluer og ikke bare hannene kan være informative. Gruppen hennes har begynt å gjøre det med P. carolinus ildfluer, men ennå ikke med kimærutsatt P. frontalis arter.
Lyn-Bug informatikk
For modellbyggere er kappløpet nå i gang for å innkapsle de observerte ildfluemønstrene i nye og forbedrede rammer. Ermentrout har et papir under vurdering som gir en annen matematisk beskrivelse av Photinus carolinus: Anta at feilene bare er støyende, uregelmessige oscillatorer i stedet for å vente en rent tilfeldig tid utover det obligatoriske minimum for lading? Ildfluene kan da begynne å fungere som pent periodiske blink bare når de er samlet sammen. I datasimuleringer samsvarer denne modellen også med Peleg-gruppens data. "Selv om vi ikke programmerte det inn, dukker ting som bølgene opp," sa Ermentrout.
Peleg og Sarfatis rimelige kamera- og algoritmesystem kan i stor grad bidra til å fremme - og demokratisere - ildflueforskning, sier biologer. Ildfluer er vanskelige å studere i naturen fordi det er vanskelig å skille arter fra hverandre ved hjelp av blinkene deres for alle bortsett fra de mest dedikerte forskerne og hardcore hobbyistene. Dette gjør det utfordrende å måle rekkevidden og overfloden av ildfluebestander, selv mens frykten øker for at mange arter av lynbugs er på vei til utryddelse. Det nye oppsettet kan gjøre det enklere å samle inn, analysere og dele ildflue-blinkende data.
I 2021 brukte Sarfati systemet for å bekrefte en rapport fra Arizona om at den lokale arten Photinus knulli kan synkronisere når nok av ildfluene samles. I år sendte Pelegs laboratorium 10 kopier av kamerasystemet til ildflueforskere over hele USA. De tar nå inn data fra lysshowene produsert av åtte arter i sommer. Med et øye for å øke bevaringsarbeidet, prøver en gruppe maskinlæringsforskere i Peleg-laboratoriet å trene en algoritme for å identifisere arter fra blitzmønstrene i de innspilte opptakene.
Tegneseriemodeller av ildfluer inspirerte matematisk teori i flere tiår; Peleg håper de mer nyanserte sannhetene som nå dukker opp vil ha tilsvarende konsekvens.
Moiseff deler det håpet. Ildfluer "har drevet med informatikk i god tid før vi eksisterte," sa han. Å lære hvordan de synkroniserer kan føre til en bedre forståelse av selvorganiserende atferd også i andre levende ting.
Redaktørens notat: Steven Strogatz er verten for Quanta'S Joy of Why podcast og medlem av Quantasitt rådgivende styre.
