În tradițiile populare japoneze, ele simbolizează sufletele care pleacă sau iubirea tăcută și arzătoare. Unele culturi indigene din Anzii peruvieni le privesc ca fiind ochii fantomelor. Și în diferite culturi occidentale, licuricii, viermii strălucitori și alți gândaci bioluminiscenți au fost legați de o serie uimitoare și uneori contradictorie de asociații metaforice: „copilărie, recoltă, doom, spiriduși, frică, schimbarea habitatului, idilă, dragoste, noroc, mortalitatea, prostituția, solstițiul, stele și efemeritatea cuvintelor și a cunoașterii”, după cum a menționat o recenzie din 2016.
Fizicienii venerează licuricii din motive care ar putea părea la fel de mistice: dintre cele aproximativ 2,200 de specii împrăștiate în întreaga lume, câteva au capacitatea documentată de a clipi în sincron. În Malaezia și Thailanda, copacii de mangrove împânziți de licurici pot clipi ca și cum ar fi înșirați cu lumini de Crăciun; în fiecare vară, în Appalachia, valuri de concordanță ciudată se undă peste câmpuri și păduri. Lumina licuricilor arată perechi de momeală și mulțimi de vizitatori umani, dar au contribuit și la declanșarea unora dintre cele mai fundamentale încercări de a explica sincronizarea, alchimia prin care coordonarea elaborată iese chiar și din părți individuale foarte simple.
Orit Peleg își amintește când ea a întâlnit pentru prima dată misterul licuricilor sincroni ca studentă care studia fizica și informatica. Licuricii au fost prezentați ca un exemplu al modului în care sistemele simple realizează sincronia Dinamica neliniară și haos, un manual al matematicianului Steven Strogatz pe care le folosea clasa ei. Peleg nu văzuse nici măcar un licurici, deoarece acestea sunt neobișnuite în Israel, unde a crescut.
„Este atât de frumos încât mi-a rămas cumva în cap de mulți, mulți ani”, a spus ea. Dar, când Peleg și-a început propriul laborator, aplicând abordări computaționale la biologie la Universitatea din Colorado și la Institutul Santa Fe, ea aflase că, deși licuricii inspiraseră multă matematică, datele cantitative care descriu ceea ce făceau de fapt insectele erau puţine.
Ea și-a propus să repare asta. În ultimii doi ani, o serie de lucrări de la grupul lui Peleg au deschis un furtun de incendiu de date din lumea reală despre sincronia la mai multe specii de licurici în mai multe locuri de studiu și la o rezoluție mult mai mare decât au reușit modelatorii sau biologii anteriori. „Destul de uimitor” este modul în care biologul matematic Bard Ermentrout de la Universitatea din Pittsburgh a descris rezultatele echipei la Cuante. „Am fost uluit”, a spus Andrew Moiseff, biolog la Universitatea din Connecticut.
Aceste lucrări stabilesc că adevăratele roiuri de licurici se îndepărtează de idealizările matematice care au răscolit jurnale și manuale timp de decenii. Aproape fiecare model pentru sincronizarea licuricilor inventat vreodată, de exemplu, presupune că fiecare licurici își menține propriul metronom intern. O pretipărire pe care grupul lui Peleg postat în martieCu toate acestea, a arătat că la cel puțin o specie, licuricii individuali nu au un ritm intrinsec și a postulat că o ritm colectiv iese doar din sinergia înfricoșătoare a multor insecte fulger adunate împreună. Un pretipărire chiar mai recentă, încărcat pentru prima dată în mai și actualizat săptămâna trecută, a documentat a tip rar de sincronie pe care matematicienii o numesc o stare himeră, care are aproape niciodată nu a fost observată în lumea reală în afara experimentelor artificiale.
Biologii licuricilor speră că noile metode vor remodela știința și conservarea licuricilor. Între timp, matematicienii care au dezvoltat teorii ale sincroniei precum cele pe care Strogatz le-a descris în manualul său, au dezvoltat de multă vreme modele fără prea mult feedback experimental de la sincronizatoare dezordonate din lumea reală. „Acesta este marea descoperire”, a spus Strogatz, profesor de matematică la Universitatea Cornell. „Acum putem începe să închidem bucla.”
Dovada evazivă a sincroniei
Rapoartele despre licurici care ardeau la unison în Asia de Sud-Est s-au filtrat înapoi la discursul științific occidental timp de secole. Mii de licurici, chemați kelip-kelip în Malaezia – numele lor este un fel de onomatopee vizuală pentru sclipirea lor – se pot așeza pe copacii de pe malul râului. „Lumina lor arde și este stinsă de o simpatie comună”, un diplomat britanic care face un turneu în Thailanda a scris în 1857. „La un moment dat, fiecare frunză și ramură apar decorate cu foc ca un diamant.”
Nu toată lumea a acceptat aceste rapoarte. „Pentru ca așa ceva să se întâmple printre insecte este cu siguranță contrar tuturor legilor naturale”, o scrisoare către jurnal. Ştiinţă s-a plâns în 1917, argumentând că efectul aparent a fost cauzat în schimb de clipirea involuntară a privitorului. Cu toate acestea, până în anii 1960, cercetătorii în vizită la licurici au confirmat prin analize cantitative ceea ce bărcii locali din mlaștinile de mangrove cunoșteau de mult.
Un scenariu similar a avut loc în anii 1990, când un naturalist din Tennessee a numit Lynn Faust citește afirmația încrezătoare publicată a unui om de știință pe nume Jon Copeland că nu existau licurici sincroni în America de Nord. Faust a știut atunci că ceea ce a urmărit de zeci de ani în pădurea din apropiere era ceva remarcabil.
Faust i-a invitat pe Copeland și pe Moiseff, colaboratorul său, să vadă o specie din Great Smoky Mountains numită Photinus carolinus. Norii licuricilor masculi umplu pădurile și poienițele, plutind cam la înălțimea omului. În loc să clipească într-o coordonare strânsă, acești licurici emit o explozie de fulgerări rapide în câteva secunde, apoi tac de mai multe ori înainte de a pierde o altă explozie. (Imaginați-vă o mulțime de paparazzi care așteaptă să apară celebrități la intervale regulate, făcând o salvă de fotografii la fiecare apariție și apoi răsucindu-și degetele în timpul nefuncționării.)
Experimentele lui Copeland și Moiseff au arătat că este izolat P. carolinus licuricii chiar au încercat să clipească în ritm cu un licurici vecin - sau un LED care clipește - într-un borcan din apropiere. Echipa a instalat, de asemenea, camere video de înaltă sensibilitate la marginea câmpurilor și a poienilor de pădure pentru a înregistra blițuri. Copeland a trecut prin filmare cadru cu cadru, numărând câți licurici au fost iluminați în fiecare moment. Analiza statistică a acestor date strânse minuțios a dovedit că toți licuricii din viziunea camerelor la o scenă chiar au emis rafale de bliț la intervale regulate, corelate.
Două decenii mai târziu, când Peleg și postdoctoratul ei, fizicianul Raphaël Sarfati, și-a propus să colecteze date despre licurici, era disponibilă o tehnologie mai bună. Ei au proiectat un sistem de două camere GoPro plasate la câțiva metri distanță. Deoarece camerele au filmat la 360 de grade, au putut surprinde dinamica unui roi de licurici din interior, nu doar din lateral. În loc să numere blițurile manual, Sarfati a conceput algoritmi de procesare care ar putea triangula pe blițurile de licurici capturate de ambele camere și apoi să înregistreze nu doar când a avut loc fiecare clipire, ci și unde a avut loc în spațiul tridimensional.
Sarfati a introdus pentru prima dată acest sistem pe teren în Tennessee în iunie 2019 pentru P. carolinus licuricii pe care Faust îi făcuse celebri. Era prima dată când vedea spectacolul cu ochii lui. Își imaginase ceva de genul scenelor strânse de sincronie a licuricilor din Asia, dar exploziile din Tennessee erau mai dezordonate, cu explozii de până la opt fulgerări rapide de aproximativ patru secunde repetate aproximativ la fiecare 12 secunde. Cu toate acestea, acea dezordine a fost incitantă: în calitate de fizician, el a simțit că un sistem cu fluctuații sălbatice s-ar putea dovedi mult mai informativ decât unul care se comporta perfect. „A fost complex, a fost confuz într-un fel, dar și frumos”, a spus el.
Intermitent aleatorii, dar simpatici
În peria ei de licență cu licuricii sincronizați, Peleg a învățat mai întâi să-i înțeleagă printr-un model propus de fizicianul japonez. Yoshiki Kuramoto. Acesta este modelul ur al sincroniei, bunicul schemelor matematice care explică modul în care sincronia poate apărea, adesea inexorabil, în orice, de la grupuri de celule stimulatoare cardiace din inimile umane până la curenți alternativi.
Cel mai elementar, modelele de sisteme sincrone trebuie să descrie două procese. Una este dinamica interioară a unui individ izolat - în acest caz, un licurici singur într-un borcan, guvernat de o regulă fiziologică sau comportamentală care determină momentul în care clipește. Al doilea este ceea ce matematicienii numesc cuplare, felul în care fulgerul unui licurici îi influențează pe vecinii săi. Cu combinații fortuite ale acestor două părți, o cacofonie de agenți diferiți se poate trage rapid într-un cor ordonat.
Într-o descriere în stil Kuramoto, fiecare licurici individual este tratat ca un oscilator cu un ritm intrinsec preferat. Imaginează-ți licuricii ca având un pendul ascuns care se balansează constant în interiorul lor; imaginați-vă că o insectă fulgeră de fiecare dată când pendulul îi trece prin fundul arcului său. Să presupunem, de asemenea, că vederea unui fulger vecin smulge pendulul de setare a ritmului unui licurici puțin înainte sau înapoi. Chiar dacă licuricii încep să nu sincronizeze unul cu celălalt, sau ritmurile lor interne preferate variază individual, un colectiv guvernat de aceste reguli va converge adesea spre un model fulger coordonat.
De-a lungul anilor au apărut mai multe variații ale acestei scheme generale, fiecare modificând regulile de dinamică internă și de cuplare. În 1990, Strogatz și colegul său Rennie Mirollo de la Boston College a demonstrat că un set foarte simplu de oscilatoare asemănătoare unui licurici s-ar sincroniza aproape întotdeauna dacă le-ai interconecta, indiferent de câți indivizi ai include. Anul următor, Ermentrout a descris modul în care grupurile de Pteroptyx malaccae licuricii din Asia de Sud-Est se pot sincroniza prin accelerarea sau încetinirea frecvențelor lor interne. În 2018, un grup condus de Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila de la Universitatea Superioară din San Andrés din Bolivia a conceput o schemă mai complicată în care licuricii comutau înainte și înapoi între o stare de „încărcare” și una de „descărcare” în timpul căreia sclipeau.
Dar când camerele lui Peleg și Sarfati au început să captureze date tridimensionale din explozie, apoi așteptați Photinus carolinus licuricii din Great Smokies în 2019, analizele lor au scos la iveală noi modele.
Una a fost confirmarea a ceva pe care Faust și alți naturaliști ai licuricilor raportaseră de multă vreme: o explozie de fulgere începea adesea într-un singur loc și apoi se scurgea prin pădure cu aproximativ o jumătate de metru pe secundă. Ondulurile contagioase au sugerat că cuplarea licuricilor nu a fost nici globală (cu întregul roi conectat) nici pur locală (fiecărui licurici îngrijindu-se doar de vecinii apropiați). În schimb, licuricii păreau să acorde atenție altor licurici la un amestec de scări de distanță. Acest lucru s-ar putea datora faptului că licuricii pot vedea doar fulgerări care apar într-o linie de vedere neîntreruptă, a spus Sarfati; în păduri, vegetația stă adesea în cale.
Licuricii adevărați par, de asemenea, să încalce premisa de bază a modelelor cu aromă de Kuramoto, care tratează fiecare individ ca fiind periodic. Când Peleg și Sarfati au lansat un single P. carolinus licurici într-un cort, emitea rafale de fulgere aleatoriu în loc să urmeze orice ritm strict. Uneori a așteptat doar câteva secunde, alteori câteva minute. „Asta deja te scoate din universul tuturor modelelor existente”, a spus Strogatz.
Dar, odată ce echipa a aruncat în 15 sau mai mulți licurici, întregul cort s-a luminat cu explozii colective, distanțate la aproximativ o duzină de secunde. Sincronia și periodicitatea grupului au fost produse pur emergente ale licuricilor care stăteau împreună. În un proiect de hârtie încărcat pe serverul de preprint biorxiv.org în primăvara anului trecut, grupul Peleg, lucrând cu fizicianul Srividya Iyer-Biswas de la Universitatea Purdue și Institutul Santa Fe, au sugerat un model nou-nouț pentru cum s-ar putea întâmpla acest lucru.
Imaginați-vă un licurici izolat care tocmai a emis o explozie de fulgerări și luați în considerare următoarele reguli. Dacă îl sechestrezi acum, va aștepta un interval aleator înainte de a clipi din nou. Există, totuși, un timp minim de așteptare de care insecta are nevoie pentru a-și reîncărca organele de lumină. Acest licurici este, de asemenea, susceptibil la presiunea grupului: dacă vede un alt licurici care începe să clipească, va clipi și el, atâta timp cât poate fizic.
Imaginează-ți acum un câmp întreg de licurici în întunericul liniștit imediat după o explozie. Fiecare alege un timp de așteptare aleatoriu mai mare decât perioada de încărcare. Oricine luminează primul, totuși, îi inspiră pe toți ceilalți să sară imediat. Întregul proces se repetă de fiecare dată când câmpul se întunecă. Pe măsură ce numărul de licurici crește, devine din ce în ce mai probabil ca cel puțin unul să aleagă aleatoriu să lumineze din nou cât mai curând posibil din punct de vedere biologic, iar asta va declanșa restul. Ca urmare, timpul dintre explozii se scurtează spre timpul minim de așteptare. Orice oameni de știință care se uită cu privirea la această scenă vor vedea ceea ce arată ca un ritm de grup constant al luminii care se rostogolește în întuneric, iar apoi întunericul erupând cu lumină.
A a doua pretipărire din grupul Peleg a dezgropat un alt tipar exotic. În Parcul Național Congaree din Carolina de Sud, Peleg a observat ceva ciudat când echipa ei și-a antrenat echipamentul pe licuriciul de sincronizare. Photoris frontalis. „Îmi amintesc că am văzut cu coada ochiului că există acest mic licurici care chiar nu este în ritm. Dar el este încă punctual”, a spus ea.
Analiza echipei a arătat că, în timp ce un cor principal al licuricilor a fulgerat în ritm, cei care nu au fost încăpățânați au refuzat să joace. Au împărțit același spațiu și au fulgerat cu propria lor perioadă, dar erau defazați cu simfonia din jur. Uneori, valorile aberante păreau să se sincronizeze între ele; uneori doar clipeau asincron. Grupul lui Peleg descrie aceasta ca o stare himeră, o formă de sincronie observată pentru prima dată de Kuramoto în 2001 și explorată de Strogatz și de matematician. Daniel Abrams de la Universitatea Northwestern în 2004 într-o formă idealizată matematic. Câțiva rapoarte de la neurologi susțin că au văzut acest tip de sincronie himerică în activitatea celulelor creierului în anumite condiții experimentale, dar altfel nu a fost observată în natură până acum.
Nu este încă clar de ce natura ar favoriza evoluția acestei stări de sincronizare amestecată, mai degrabă decât una mai uniformă. Dar chiar și sincronia de bază a reprezentat întotdeauna un mister evolutiv: cum ajută amestecarea orice bărbat în parte să iasă în evidență față de un potențial partener? Peleg a sugerat că studiile care analizează modelele de comportament ale licuricilor femele și nu doar ale masculilor ar putea fi informative. Grupul ei a început să facă asta cu P. carolinus licurici dar nu încă cu cei predispuși la himeră P. frontalis specii.
Informatică fulger-bug
Pentru modelatori, cursa este acum în curs pentru a îngloba modelele observate de licurici în cadre noi și îmbunătățite. Ermentrout are o lucrare în curs de revizuire care oferă o descriere matematică diferită a Photinus carolinus: Să presupunem că, în loc să așteptați o perioadă de timp pur aleatorie dincolo de minimul obligatoriu pentru reîncărcare, bug-urile sunt doar oscilatoare zgomotoase, neregulate? Licuricii ar putea apoi să înceapă să se comporte ca niște lumini intermitente periodice, numai atunci când sunt adunați împreună. În simulările pe computer, acest model se potrivește și cu datele grupului Peleg. „Chiar dacă nu l-am programat, apar lucruri precum valurile”, a spus Ermentrout.
Sistemul ieftin de cameră și algoritm al lui Peleg și Sarfati poate ajuta foarte mult la avansarea – și la democratizarea – cercetării licuricilor, spun biologii. Licuricii sunt greu de studiat în sălbăticie, deoarece deosebirea speciilor prin fulgerările lor este greu pentru toți, cu excepția celor mai dedicați cercetători și pasionați. Acest lucru face ca măsurarea intervalului și a abundenței populațiilor de licurici să fie dificilă, chiar și în timp ce se teme că multe specii de insecte fulger sunt pe cale de dispariție. Noua configurație poate facilita colectarea, analizarea și partajarea datelor de tip licurici.
În 2021, Sarfati a folosit sistemul pentru a confirma un raport din Arizona că specia locală Photinus knulli se poate sincroniza atunci când se adună destui licurici. Anul acesta, laboratorul lui Peleg a trimis 10 copii ale sistemului de camere cercetătorilor de licurici din toată SUA. Acum preiau date de la spectacolele de lumini produse în vara trecută de opt specii. Având în vedere intensificarea eforturilor de conservare, un grup de cercetători de învățare automată din cadrul laboratorului Peleg încearcă să antreneze un algoritm pentru a identifica speciile din modelele flash din filmările înregistrate.
Modelele desenate ale licuricilor au inspirat teoria matematică timp de decenii; Peleg speră că adevărurile mai nuanțate care apar acum vor fi la fel de importante.
Moiseff împărtășește această speranță. Licuricii „au făcut informatică cu mult înainte ca noi să existe”, a spus el. Învățarea modului în care se sincronizează ar putea duce la o mai bună înțelegere a comportamentelor de auto-organizare și în alte viețuitoare.
Nota editorului: Steven Strogatz este gazda Cuante'S Bucuria de ce podcast și membru al Cuanteconsiliului consultativ.
