W japońskich tradycjach ludowych symbolizują odchodzące dusze lub cichą, żarliwą miłość. Niektóre rdzenne kultury w peruwiańskich Andach postrzegają je jako oczy duchów. W różnych kulturach zachodnich świetliki, świetliki i inne bioluminescencyjne chrząszcze są kojarzone z olśniewającym i czasem sprzecznym wachlarzem metaforycznych skojarzeń: „dzieciństwo, plon, zagłada, elfy, strach, zmiana siedliska, sielanka, miłość, szczęście, śmiertelność, prostytucja, przesilenie, gwiazdy i ulotność słów i poznania”, jak zauważono w jednym z przeglądów z 2016 roku.
Fizycy czczą świetliki z powodów, które mogą wydawać się równie mistyczne: z około 2,200 gatunków rozsianych po całym świecie, garstka ma udokumentowaną zdolność do synchronicznego błysku. W Malezji i Tajlandii wysadzane świetlikami drzewa namorzynowe mogą migać z rytmem, jakby były obwieszone bożonarodzeniowymi lampkami; Każdego lata w Appalachach fale niesamowitej zgodności rozchodzą się po polach i lasach. Światło świetlików ukazuje wabiących towarzyszy i tłumy ludzkich zwiedzających, ale także pomogły zapoczątkować niektóre z najbardziej fundamentalnych prób wyjaśnienia synchronizacji, alchemii, dzięki której skomplikowana koordynacja wyłania się nawet z bardzo prostych pojedynczych części.
Orita Pelega wspomina, kiedy jako studentka fizyki i informatyki po raz pierwszy zetknęła się z tajemnicą świetlików synchronicznych. Świetliki zostały przedstawione jako przykład tego, jak proste systemy osiągają synchronizację w Dynamika nieliniowa i chaos, podręcznik matematyka Stevena Strogatza że jej klasa używała. Peleg nigdy nawet nie widział świetlika, ponieważ są one rzadkością w Izraelu, gdzie dorastała.
„Jest po prostu tak piękny, że jakoś utkwił mi w głowie na wiele, wiele lat” – powiedziała. Ale zanim Peleg założyła własne laboratorium, stosując metody obliczeniowe do biologii na Uniwersytecie Kolorado i w Instytucie Santa Fe, dowiedziała się, że chociaż świetliki inspirowały wiele matematyki, dane ilościowe opisujące, co faktycznie robią owady, były skąpy.
Postanowiła to naprawić. W ciągu ostatnich dwóch lat seria artykułów z grupy Pelega otworzyła wąż strażacki z danymi ze świata rzeczywistego na temat synchronizacji wielu gatunków świetlików na wielu stanowiskach badawczych i w znacznie wyższej rozdzielczości, niż udało się to poprzednim modelarzom lub biologom. „Dość zdumiewające” jest to, jak biolog matematyczny Barda Ermentrouta na University of Pittsburgh opisał wyniki zespołu: Quanta. „Byłem zachwycony”, powiedział Andrzej Moiseff, biolog z University of Connecticut.
Artykuły te dowodzą, że prawdziwe roje świetlików odbiegają od matematycznych idealizacji, które przez dziesięciolecia przemykały w czasopismach i podręcznikach. Na przykład prawie każdy model synchronizacji świetlika, jaki kiedykolwiek wymyślono, zakłada, że każdy świetlik ma swój własny wewnętrzny metronom. Preprint, że grupa Pelega wysłane w marcuWykazał jednak, że co najmniej u jednego gatunku pojedyncze świetliki nie mają własnego rytmu i zakładał, że zbiorowy rytm wyłania się tylko z upiornej synergii wielu zebranych razem świetlików. jakiś jeszcze nowszy preprint, po raz pierwszy przesłany w maju i zaktualizowany w zeszłym tygodniu, udokumentowany a rzadki rodzaj synchronizacji które matematycy nazywają stanem chimery, co ma prawie nigdy nie zaobserwowano w świecie rzeczywistym poza wymyślonymi eksperymentami.
Biolodzy świetlików mają nadzieję, że nowe metody przekształcą naukę i ochronę świetlików. W międzyczasie matematycy wymyślający teorie synchronii, takie jak te, które Strogatz opisał w swoim podręczniku, od dawna opracowywali modele bez zbyt wielu eksperymentalnych informacji zwrotnych z bałaganu w rzeczywistych synchronizatorach. „To wielki przełom” — powiedział Strogatz, profesor matematyki na Uniwersytecie Cornell. „Teraz możemy zacząć zamykać pętlę”.
Nieuchwytny dowód synchronii
Doniesienia o świetlikach rozbłyskujących zgodnie w Azji Południowo-Wschodniej przez wieki wracały do zachodniego dyskursu naukowego. Tysiące świetlików, zwanych kelip-kelip w Malezji — ich nazwa to rodzaj wizualnej onomatopei dla ich migotania — mogą osiedlić się na nadrzecznych drzewach. „Ich światło płonie i jest gaszone przez wspólną sympatię”, brytyjski dyplomata podróżujący po Tajlandii napisał w 1857. „W pewnym momencie każdy liść i gałąź wydaje się ozdobiony ogniem przypominającym diament”.
Nie wszyscy akceptowali te raporty. „To, że coś takiego zdarza się wśród owadów, jest z pewnością sprzeczne z wszelkimi prawami natury” — jeden z listów do czasopisma nauka skarżył się w 1917 roku, argumentując, że pozorny efekt był spowodowany mimowolnym mruganiem widza. Jednak w latach sześćdziesiątych odwiedzający świetliki badacze potwierdzili poprzez analizę ilościową to, co lokalni wioślarze na bagnach namorzynowych wiedzieli od dawna.
Podobny scenariusz rozegrał się w latach 1990., kiedy przyrodnik z Tennessee imieniem Lynn Faust przeczytaj pewnie opublikowane twierdzenie naukowca o imieniu Jona Copelanda że w Ameryce Północnej nie było świetlików synchronicznych. Faust wiedział wtedy, że to, co obserwowała od dziesięcioleci w pobliskim lesie, było czymś niezwykłym.
Faust zaprosił swojego współpracownika Copelanda i Moiseffa, aby zobaczyli gatunek w Great Smoky Mountains zwany Fotynus karoliński. Chmury samców świetlików wypełniają lasy i polany, unosząc się mniej więcej na wysokości człowieka. Zamiast mrugać w ścisłej koordynacji, te świetliki emitują serię szybkich błysków w ciągu kilku sekund, a następnie milkną kilka razy dłużej, zanim stracą kolejną serię. (Wyobraźcie sobie tłum paparazzi czekających na pojawienie się celebrytów w regularnych odstępach czasu, robiących salwę zdjęć przy każdym występie, a następnie kręcących kciukami w czasie przestoju).
Eksperymenty Copelanda i Moiseffa wykazały, że izolowana P. carolinus świetliki naprawdę próbowały błyskać w rytm z sąsiednim świetlikiem — lub migającą diodą LED — w pobliskim słoiku. Zespół ustawił również kamery wideo o wysokiej czułości na krawędziach pól i polanach leśnych, aby rejestrować błyski. Copeland przejrzał nagranie klatka po klatce, licząc, ile świetlików było oświetlonych w każdej chwili. Analiza statystyczna tych skrupulatnie zebranych danych wykazała, że wszystkie świetliki w polu widzenia kamer na scenie rzeczywiście emitowały błyski w regularnych, skorelowanych odstępach czasu.
Dwie dekady później, kiedy Peleg i jej podoktor, fizyk… Rafał Sarfati, którego celem było zbieranie danych o świetlikach, dostępna była lepsza technologia. Zaprojektowali system dwóch kamer GoPro umieszczonych kilka stóp od siebie. Ponieważ kamery nagrywały 360-stopniowe wideo, mogły uchwycić dynamikę roju świetlików od wewnątrz, a nie tylko z boku. Zamiast ręcznie liczyć błyski, Sarfati opracował algorytmy przetwarzania, które potrafiły triangulować błyski świetlików uchwyconych przez obie kamery, a następnie rejestrować nie tylko to, kiedy nastąpiło każde mrugnięcie, ale także miejsce, w którym wystąpiło w przestrzeni trójwymiarowej.
Sarfati po raz pierwszy wprowadził ten system na pole w Tennessee w czerwcu 2019 r P. carolinus świetliki, które rozsławił Faust. To był jego pierwszy raz, kiedy widział spektakl na własne oczy. Wyobraził sobie coś w rodzaju ciasnych scen synchronizacji świetlików z Azji, ale wybuchy z Tennessee były bardziej chaotyczne, z seriami do ośmiu szybkich błysków w ciągu około czterech sekund, powtarzanych mniej więcej co 12 sekund. Jednak ten bałagan był ekscytujący: jako fizyk uważał, że system z dzikimi fluktuacjami może okazać się znacznie bardziej pouczający niż ten, który zachowuje się doskonale. „To było skomplikowane, w pewnym sensie mylące, ale także piękne” – powiedział.
Losowe, ale sympatyczne migacze
Podczas studiów licencjackich z synchronizacją świetlików Peleg po raz pierwszy nauczyła się je rozumieć dzięki modelowi zaproponowanemu przez japońskiego fizyka. Yoshikiego Kuramoto. To jest ur-model synchronii, dziadek schematów matematycznych, które wyjaśniają, w jaki sposób synchronizacja może powstać, często nieubłaganie, w czymkolwiek, od grup komórek rozruszników serca w ludzkich sercach po prądy przemienne.
W najprostszym przypadku modele systemów synchronicznych muszą opisywać dwa procesy. Jednym z nich jest wewnętrzna dynamika izolowanego osobnika — w tym przypadku samotnego świetlika w słoiku, rządzonego przez regułę fizjologiczną lub behawioralną, która określa, kiedy błyska. Drugi to to, co matematycy nazywają sprzęganiem, sposób, w jaki błysk jednego świetlika wpływa na sąsiadów. Dzięki przypadkowemu połączeniu tych dwóch części, kakofonia różnych agentów może szybko wciągnąć się w zgrabny refren.
W opisie w stylu Kuramoto każdy pojedynczy świetlik jest traktowany jako oscylator z nieodłącznym preferowanym rytmem. Wyobraź sobie świetliki, które mają w sobie ukryte wahadło; wyobraź sobie, że błąd miga za każdym razem, gdy jego wahadło przesuwa się po dolnej części jego łuku. Załóżmy również, że widząc sąsiednią lampę błyskową, szarpniemy wahadło świetlika nieco do przodu lub do tyłu. Nawet jeśli świetliki zaczynają się nie zsynchronizować ze sobą lub ich preferowane rytmy wewnętrzne różnią się indywidualnie, kolektyw rządzony tymi zasadami często zbiega się w skoordynowanym wzorze błysku.
Na przestrzeni lat pojawiło się kilka wariantów tego ogólnego schematu, z których każda modyfikuje zasady wewnętrznej dynamiki i sprzężenia. W 1990 roku Strogatz i jego kolega Renniego Mirollo z Boston College dowiodło, że bardzo prosty zestaw oscylatorów podobnych do świetlików prawie zawsze synchronizuje się, jeśli je połączy się ze sobą, bez względu na to, ile osób się włączy. W następnym roku Ermentrout opisał, jak grupy Pteroptyx malakka świetliki w Azji Południowo-Wschodniej mogą synchronizować się, przyspieszając lub spowalniając swoje wewnętrzne częstotliwości. Jeszcze w 2018 roku grupa kierowana przez Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila z Wyższego Uniwersytetu San Andrés w Boliwii opracował bardziej skomplikowany schemat, w którym świetliki przełączały się między stanem „ładowania” a stanem „rozładowania”, podczas którego błyskały.
Ale kiedy kamery Pelega i Sarfati zaczęły rejestrować trójwymiarowe dane z serii „poczekaj”, Fotynus karoliński świetliki w Great Smokies w 2019 r., ich analizy ujawniły nowe wzorce.
Jednym z nich było potwierdzenie czegoś, o czym Faust i inni przyrodnicy świetlików od dawna donosili: wybuch błysków często zaczynał się w jednym miejscu, a następnie spływał kaskadą przez las z prędkością około pół metra na sekundę. Zaraźliwe fale sugerowały, że sprzężenie świetlików nie było ani globalne (z połączonym całym rojem), ani czysto lokalne (każdy świetlik troszczył się tylko o bliskich sąsiadów). Zamiast tego świetliki wydawały się zwracać uwagę na inne świetliki w różnych skalach odległości. Może to być spowodowane tym, że świetliki widzą tylko błyski, które pojawiają się w nieprzerwanej linii wzroku, powiedział Sarfati; w lasach często przeszkadza roślinność.
Prawdziwe świetliki również zdają się kwestionować podstawowe założenia modeli o smaku Kuramoto, które traktują każdą osobę jako okresową. Kiedy Peleg i Sarfati wydali singiel P. carolinus robaczek świętojański w namiocie, zamiast podążać za ścisłym rytmem, losowo emitował błyski. Czasami czekał zaledwie kilka sekund, innym razem kilka minut. „To już wyprowadza cię ze wszechświata wszystkich istniejących modeli” – powiedział Strogatz.
Ale kiedy zespół zrzucił 15 lub więcej świetlików, cały namiot rozświetlił się zbiorowymi błyskami w odstępach kilkunastosekundowych. Synchronizacja i cykliczność grupowa były czysto emergentnymi wytworami świetlików spędzających czas razem. W projekt pracy przesłane na serwer preprintu biorxiv.org zeszłej wiosny, grupa Peleg, współpracująca z fizykiem Śrividya Iyer-Biswas Purdue University i Santa Fe Institute zasugerowali zupełnie nowy model tego, jak to się może wydarzyć.
Wyobraź sobie odizolowanego świetlika, który właśnie wyemitował serię błysków, i rozważ następujące zasady. Jeśli zsekwestrujesz go teraz, poczeka losowy odstęp przed ponownym miganiem. Istnieje jednak minimalny czas oczekiwania, jaki owad potrzebuje na naładowanie swoich organów świetlnych. Ten świetlik jest również podatny na presję rówieśników: jeśli zobaczy, że inny świetlik zaczyna błyskać, również będzie błyskać, o ile fizycznie może.
Teraz wyobraź sobie całe pole świetlików w cichej ciemności zaraz po wybuchu. Każdy wybiera losowo czas oczekiwania dłuższy niż okres ładowania. Jednak ten, kto błyśnie pierwszy, inspiruje wszystkich innych do natychmiastowego wskoczenia. Cały ten proces powtarza się za każdym razem, gdy pole ciemnieje. Wraz ze wzrostem liczby świetlików staje się coraz bardziej prawdopodobne, że co najmniej jeden losowo zdecyduje się ponownie zabłysnąć, gdy tylko będzie to możliwe biologicznie, a to uruchomi resztę. W rezultacie czas między seriami skraca się w kierunku minimalnego czasu oczekiwania. Każdy naukowiec gapiący się na tę scenę zobaczy coś, co wygląda jak stały, grupowy rytm światła przetaczającego się w ciemność, a następnie ciemność eksplodująca światłem.
A drugi preprint z grupy Peleg odkrył kolejny egzotyczny wzór. W Parku Narodowym Congaree w Karolinie Południowej Peleg zauważyła coś dziwnego, gdy jej zespół szkolił swój sprzęt na świetliku synchronizującym Photuris frontalis. „Pamiętam, że kątem oka zobaczyłem, że jest taki mały świetlik, który naprawdę nie jest w rytmie. Ale nadal jest punktualny” – powiedziała.
Analiza zespołu wykazała, że podczas gdy główny chór świetlików błysnął w rytmie, uparci ludzie odstawali od gry. Dzielili tę samą przestrzeń i błysnęli własnym okresem, ale nie pasowali do otaczającej ich symfonii. Czasami wartości odstające wydawały się synchronizować ze sobą; czasami po prostu błysnęły asynchronicznie. Grupa Pelega opisuje to jako stan chimery, formę synchronizacji po raz pierwszy zauważoną przez Kuramoto w 2001 roku i zbadaną przez Strogatza i matematyka. Daniela Abramsa Northwestern University w 2004 roku w formie wyidealizowanej matematycznie. Trochę raporty od neurologów twierdzą, że zaobserwowali tego rodzaju synchronizację chimery w aktywności komórek mózgowych w pewnych warunkach eksperymentalnych, ale poza tym do tej pory nie zaobserwowano tego w naturze.
Nie jest jeszcze jasne, dlaczego natura faworyzowałaby ewolucję tego zmieszanego stanu synchronizacji, a nie bardziej jednolitego. Ale nawet podstawowa synchronizacja zawsze stanowiła ewolucyjną tajemnicę: w jaki sposób wtapianie się w pomoc indywidualnemu mężczyźnie odróżnia się od potencjalnego partnera? Peleg zasugerował, że badania dotyczące wzorców behawioralnych samic świetlików, a nie tylko samców, mogą być pouczające. Jej grupa zaczęła to robić z P. carolinus świetliki, ale jeszcze nie z chimerą podatną P. frontalis gatunków.
Informatyka z piorunami
Dla modelarzy trwa wyścig, aby zawrzeć zaobserwowane wzorce świetlików w nowych i ulepszonych frameworkach. Ermentrout ma artykuł, który jest w trakcie recenzowania, który oferuje inny matematyczny opis Fotynus karoliński: Załóżmy, że zamiast czekać czysto losowy czas poza obowiązkowe minimum na doładowanie, błędy są po prostu hałaśliwymi, nieregularnymi oscylatorami? Świetliki mogą wtedy zacząć zachowywać się jak zgrabnie okresowe migacze tylko wtedy, gdy są zebrane razem. W symulacjach komputerowych model ten pasuje również do danych grupy Peleg. „Nawet jeśli tego nie zaprogramowaliśmy, pojawiają się takie rzeczy jak fale” – powiedział Ermentrout.
Biolodzy twierdzą, że niedrogi system kamer i algorytmów Pelega i Sarfati może znacznie pomóc w rozwoju – i demokratyzacji – badań nad świetlikami. Świetliki są trudne do badania na wolności, ponieważ rozróżnianie gatunków po ich błyskach jest trudne dla wszystkich, z wyjątkiem najbardziej oddanych badaczy i zapalonych hobbystów. To sprawia, że pomiar zasięgu i liczebności populacji świetlików jest wyzwaniem, nawet gdy narastają obawy, że wiele gatunków świetlików jest na drodze do wyginięcia. Nowa konfiguracja może ułatwić zbieranie, analizowanie i udostępnianie danych dotyczących świetlików.
W 2021 r. Sarfati wykorzystał system, aby potwierdzić raport z Arizony, że lokalny gatunek Photinus knulli może zsynchronizować się, gdy zbierze się wystarczająca liczba świetlików. W tym roku laboratorium Pelega wysłało 10 kopii systemu kamer do naukowców zajmujących się świetlikami w całych Stanach Zjednoczonych. Obecnie pobierają dane z pokazów świetlnych zorganizowanych tego lata przez osiem gatunków. Mając na celu zwiększenie wysiłków na rzecz ochrony, grupa naukowców zajmujących się uczeniem maszynowym w laboratorium Peleg próbuje wytrenować algorytm identyfikowania gatunków na podstawie wzorców flash w nagranym materiale.
Rysunkowe modele świetlików przez dziesięciolecia inspirowały teorię matematyczną; Peleg ma nadzieję, że pojawiające się teraz bardziej zniuansowane prawdy będą miały podobne konsekwencje.
Moiseff podziela tę nadzieję. Świetliki „zajmowały się informatyką na długo przed naszym istnieniem” – powiedział. Uczenie się, jak się synchronizują, może prowadzić do lepszego zrozumienia zachowań samoorganizujących się również u innych żywych istot.
Komentarz edytora: Steven Strogatz jest gospodarzem Quanta'S Radość dlaczego podcast i członek Quantarady doradczej.
