В японских народных традициях они символизируют уходящие души или безмолвную пылкую любовь. Некоторые коренные народы перуанских Анд рассматривают их как глаза призраков. А в различных западных культурах светлячки, светлячки и другие биолюминесцентные жуки связаны с ослепительным и порой противоречивым набором метафорических ассоциаций: «детство, урожай, гибель, эльфы, страх, смена среды обитания, идиллия, любовь, удача, смертность, проституция, солнцестояние, звезды и мимолетность слов и познания», — отмечается в одном из обзоров 2016 года.
Физики почитают светлячков по причинам, которые могут показаться столь же мистическими: из примерно 2,200 видов, разбросанных по всему миру, лишь немногие обладают задокументированной способностью мигать синхронно. В Малайзии и Таиланде мангровые деревья, усеянные светлячками, могут мерцать в такт, как будто они натянуты рождественскими гирляндами; Каждое лето в Аппалачах по полям и лесам прокатываются волны зловещей гармонии. Свет светлячков показывает приманку товарищей и толпы людей, наблюдающих за достопримечательностями, но они также помогли зажечь некоторые из самых фундаментальных попыток объяснить синхронизацию, алхимию, благодаря которой сложная координация возникает даже из очень простых отдельных частей.
Орит Пелег вспоминает, как впервые столкнулась с загадкой синхронных светлячков, будучи студенткой, изучающей физику и информатику. Светлячки были представлены как пример того, как простые системы достигают синхронности в Нелинейная динамика и хаос, учебник математика Стивен Строгац что ее класс использовал. Пелег никогда не видела даже светлячков, так как они редкость в Израиле, где она выросла.
«Это так красиво, что каким-то образом засело у меня в голове на много-много лет», — сказала она. Но к тому времени, когда Пелег открыла свою собственную лабораторию, применяя вычислительные подходы к биологии в Университете Колорадо и в Институте Санта-Фе, она узнала, что, хотя светлячки вдохновили многих математиков, количественные данные, описывающие, что на самом деле делают насекомые, скудный.
Она решила это исправить. За последние два года серия статей группы Пелега открыла целую кучу реальных данных о синхронности у нескольких видов светлячков на нескольких исследовательских площадках и с гораздо более высоким разрешением, чем предыдущие моделисты или биологи. «Довольно поразительно» — вот как математический биолог Бард Эрментраут в Университете Питтсбурга описал результаты команды Quanta. «Я был потрясен, — сказал Эндрю Моисефф, биолог из Университета Коннектикута.
В этих работах установлено, что настоящие рои светлячков отличаются от математических идеализаций, которые десятилетиями мелькали в журналах и учебниках. Например, почти каждая когда-либо придуманная модель синхронности светлячков предполагает, что каждый светлячок поддерживает свой собственный внутренний метроном. Препринт, который группа Пелега опубликовано в марте, однако, показал, что по крайней мере у одного вида отдельные светлячки не имеют внутреннего ритма, и постулировал, что коллективный ритм возникает только в результате жуткой синергии множества светлячков, собравшихся вместе. Ан еще более свежий препринт, впервые загруженный в мае и обновленный на прошлой неделе, задокументировал редкий тип синхронизма которое математики называют состоянием-химерой, которое почти никогда не наблюдалось в реальном мире вне надуманных экспериментов.
Биологи светлячков надеются, что новые методы изменят науку и охрану светлячков. Тем временем математики, разрабатывающие теории синхронии, подобные тем, которые Строгац описал в своем учебнике, долгое время создавали модели без особого экспериментального отклика от запутанных синхронизаторов реального мира. «Это большой прорыв, — сказал Строгац, профессор математики Корнельского университета. «Теперь мы можем начать замыкать петлю».
Неуловимое доказательство синхронности
Сообщения о светлячках, вспыхивающих в унисон в Юго-Восточной Азии, просачивались в западный научный дискурс на протяжении веков. Тысячи светлячков, называемых келип-келип в Малайзии — их название является своего рода визуальным звукоподражанием их мерцанию — могут селиться на прибрежных деревьях. «Их свет горит и гаснет из-за общей симпатии», — британский дипломат, совершающий поездку по Таиланду. написал в 1857. «В какой-то момент каждый лист и ветка появляются, украшенные алмазоподобным огнем».
Не все приняли эти сообщения. «То, что подобное происходит среди насекомых, определенно противоречит всем законам природы», — одно письмо в журнал. Наука жаловался в 1917 году, утверждая, что видимый эффект вместо этого был вызван непроизвольным морганием зрителя. Тем не менее к 1960-м годам приехавшие исследователи светлячков подтвердили с помощью количественного анализа то, что местные лодочники в мангровых болотах давно знали.
Похожий сценарий разыгрывался в 1990-х годах, когда натуралист из Теннесси по имени Линн Фауст прочтите уверенное опубликованное утверждение ученого по имени Джон Коупленд что в Северной Америке не было синхронных светлячков. Тогда Фауст понял, что то, что она десятилетиями наблюдала в близлежащем лесу, было чем-то замечательным.
Фауст пригласил Коупленда и Моисеффа, своего сотрудника, посмотреть на вид в Грейт-Смоки-Маунтинс, называемый Фотин каролинус. Облака самцов светлячков заполняют леса и поляны, паря примерно на высоте человеческого роста. Вместо того, чтобы мигать в тесной координации, эти светлячки испускают серию быстрых вспышек в течение нескольких секунд, затем замолкают на несколько раз дольше, прежде чем испустить еще одну очередь. (Представьте себе толпу папарацци, ожидающих появления знаменитостей через равные промежутки времени, делающих серию фотографий при каждом появлении, а затем хлопочущих пальцами во время простоя.)
Эксперименты Коупленда и Моисеффа показали, что изолированные П. Каролинус светлячки действительно пытались мигать в такт соседнему светлячку или мигающему светодиоду в ближайшей банке. Команда также установила высокочувствительные видеокамеры по краям полей и лесных полян для записи вспышек. Коупленд просматривал отснятый материал кадр за кадром, подсчитывая, сколько светлячков освещалось в каждый момент времени. Статистический анализ этих скрупулезно собранных данных показал, что все светлячки в поле зрения камер действительно излучали вспышки через регулярные коррелированные промежутки времени.
Два десятилетия спустя, когда Пелег и ее постдоктор, физик Рафаэль Сарфати, предназначенный для сбора данных о светлячках, были доступны более совершенные технологии. Они разработали систему из двух камер GoPro, расположенных на расстоянии нескольких футов друг от друга. Поскольку камеры снимали 360-градусное видео, они могли запечатлеть динамику роя светлячков изнутри, а не только сбоку. Вместо подсчета вспышек вручную Сарфати разработал алгоритмы обработки, которые могли триангулировать вспышки светлячков, пойманные обеими камерами, а затем записывать не только время каждого моргания, но и то, где оно происходило в трехмерном пространстве.
Сарфати впервые применил эту систему в Теннесси в июне 2019 года для П. Каролинус светлячков, прославивших Фауста. Он впервые видел это зрелище своими глазами. Он представлял себе что-то вроде синхронных сцен светлячков из Азии, но вспышки в Теннесси были более беспорядочными: вспышки до восьми быстрых вспышек в течение примерно четырех секунд повторялись примерно каждые 12 секунд. И все же этот беспорядок был захватывающим: как физик он чувствовал, что система с дикими флуктуациями может оказаться гораздо более информативной, чем система, которая ведет себя идеально. «Это было сложно, в некотором смысле сбивало с толку, но в то же время красиво», — сказал он.
Случайные, но симпатичные мигалки
В своей студенческой схватке с синхронизирующими светлячками Пелег впервые научилась понимать их с помощью модели, предложенной японским физиком. Йошики Курамото. Это ур-модель синхронии, дедушка математических схем, которые объясняют, как синхрония может возникнуть, часто неумолимо, во всем, от групп клеток-водителей ритма в человеческом сердце до переменных токов.
По сути, модели синхронных систем должны описывать два процесса. Одна из них — внутренняя динамика изолированного индивидуума — в данном случае одинокого светлячка в банке, управляемого физиологическим или поведенческим правилом, определяющим, когда он вспыхивает. Второй — это то, что математики называют сцеплением, — то, как вспышка одного светлячка влияет на его соседей. При удачном сочетании этих двух частей какофония различных агентов может быстро превратиться в аккуратный хор.
В описании в духе Курамото каждый отдельный светлячок рассматривается как осциллятор с присущим ему предпочтительным ритмом. Представьте себе светлячков, внутри которых постоянно качается скрытый маятник; представьте, что жук вспыхивает каждый раз, когда его маятник проходит через нижнюю часть своей дуги. Предположим также, что соседняя вспышка дергает маятник, задающий темп, немного вперед или назад. Даже если светлячки стартуют не синхронно друг с другом или предпочитаемые ими внутренние ритмы различаются индивидуально, коллектив, управляемый этими правилами, часто сойдется в скоординированном образце вспышек.
За прошедшие годы появилось несколько вариаций этой общей схемы, каждая из которых настраивала правила внутренней динамики и связи. В 1990 году Строгац и его коллега Ренни Миролло из Бостонского колледжа доказали, что очень простой набор осцилляторов, похожих на светлячков, почти всегда будет синхронизироваться, если вы соедините их между собой, независимо от того, сколько людей вы включили. В следующем году Эрментраут описал, как группы малакка Птероптикс светлячки в Юго-Восточной Азии могли синхронизироваться, ускоряя или замедляя свои внутренние частоты. Совсем недавно, в 2018 году, группа под руководством Гонсало Марсело Рамирес-Авила из Высшего университета Сан-Андрес в Боливии разработали более сложную схему, в которой светлячки переключались между состояниями «зарядки» и «разрядки», во время которых они вспыхивали.
Но когда камеры Пелега и Сарфати начали фиксировать трехмерные данные вспышки, то подождите. Фотин каролинус светлячков в Грейт-Смокис в 2019 году, их анализ выявил новые закономерности.
Одно из них было подтверждением того, о чем давно сообщали Фауст и другие исследователи-светлячки: вспышка вспышек часто начиналась в одном месте, а затем каскадом распространялась по лесу со скоростью примерно полметра в секунду. Заразная рябь предполагала, что соединение светлячков не было ни глобальным (когда был связан весь рой), ни чисто локальным (когда каждый светлячок заботился только о ближайших соседях). Вместо этого светлячки, казалось, обращали внимание на других светлячков на разных расстояниях. По словам Сарфати, это может быть связано с тем, что светлячки могут видеть только вспышки, происходящие в пределах непрерывной линии обзора; в лесах часто мешает растительность.
Настоящие светлячки также, кажется, пренебрегают основной предпосылкой моделей со вкусом Курамото, которые рассматривают каждого человека как периодического. Когда Пелег и Сарфати выпустили сингл П. Каролинус светлячка в палатке, он испускал вспышки вспышек беспорядочно, вместо того, чтобы следовать какому-то строгому ритму. Иногда он ждал всего несколько секунд, иногда несколько минут. «Это уже выводит вас из вселенной всех существующих моделей», — сказал Строгац.
Но как только команда сбросила 15 или более светлячков, вся палатка осветилась коллективными вспышками с интервалом в дюжину секунд. Синхрония и групповая периодичность были чисто эмерджентными продуктами совместной жизни светлячков. В черновик загружено прошлой весной на сервер препринтов biorxiv.org, группа Peleg, работающая с физиком Шривидья Айер-Бисвас Университета Пердью и Института Санта-Фе предложили совершенно новую модель того, как это могло произойти.
Представьте изолированного светлячка, который только что испустил серию вспышек, и примите во внимание следующие правила. Если вы изолируете его сейчас, он будет ждать случайный интервал, прежде чем снова начнет мигать. Однако существует минимальное время ожидания, необходимое насекомому для перезарядки своих световых органов. Этот светлячок также восприимчив к давлению со стороны сверстников: если он видит, что другой светлячок начинает мигать, он тоже будет мигать, пока может физически.
Теперь представьте целое поле светлячков в тихой темноте сразу после взрыва. Каждый из них выбирает случайное время ожидания, превышающее период зарядки. Однако тот, кто мигает первым, вдохновляет всех остальных немедленно прыгнуть. Весь этот процесс повторяется каждый раз, когда поле становится темным. По мере увеличения количества светлячков становится все более вероятным, что по крайней мере один из них случайно решит снова вспыхнуть, как только это станет биологически возможным, и это вызовет срабатывание остальных. В результате время между пакетами сокращается до минимального времени ожидания. Любой учёный, наблюдающий за этой сценой, увидит нечто похожее на устойчивый групповой ритм, когда свет сменяется тьмой, а затем тьма прорывается светом.
A второй препринт из группы Peleg раскопали еще один экзотический образец. В национальном парке Конгари в Южной Каролине Пелег заметила нечто странное, когда ее команда тренировала свое оборудование на синхронизирующемся светлячке. Фоторис лобный. «Я помню, как краем глаза увидел маленького светлячка, который действительно не в ритме. Но он по-прежнему пунктуален», — сказала она.
Анализ команды показал, что в то время как основной хор светлячков вспыхивал в ритме, упрямые выбросы отказывались подыгрывать. Они делили одно пространство и мелькали в своем периоде, но не в фазе с окружающей симфонией. Иногда казалось, что выбросы синхронизируются друг с другом; иногда они просто мигали асинхронно. Группа Пелега описывает это как состояние химеры, форму синхронии, впервые отмеченную Курамото в 2001 году и исследованную Строгацем и математиком. Дэниел Абрамс Северо-Западного университета в 2004 г. в математически идеализированной форме. Немного доклады нейробиологов утверждают, что видели такого рода химерную синхронность в деятельности клеток головного мозга при определенных экспериментальных условиях, но в остальном она до сих пор не наблюдалась в природе.
Пока неясно, почему природа предпочитает эволюцию этого мешанинного состояния синхронизации, а не более однородного. Но даже базовая синхрония всегда представляла собой эволюционную загадку: как смешение помогает любому отдельному самцу выделиться перед потенциальной партнершей? Пелег предположил, что исследования, изучающие поведенческие модели самок светлячков, а не только самцов, могут быть информативными. Ее группа начала делать это с П. Каролинус светлячков, но еще не с химерами П. фронталис видов.
Lightning-Bug Информатика
Для разработчиков моделей сейчас начинается гонка за инкапсуляцию наблюдаемых паттернов светлячков в новые и улучшенные фреймворки. У Эрментроута есть рецензируемая статья, в которой предлагается другое математическое описание Фотин каролинус: Предположим, что вместо того, чтобы ждать чисто случайное количество времени сверх обязательного минимума для перезарядки, жуки просто шумные, нерегулярные осцилляторы? Тогда светлячки могут начать вести себя как аккуратные периодические мигалки только тогда, когда они собраны вместе. В компьютерном моделировании эта модель также соответствует данным группы Пелег. «Несмотря на то, что мы не запрограммировали это, появляются такие вещи, как волны», — сказал Эрментраут.
По словам биологов, недорогая система камеры и алгоритма Пелега и Сарфати может значительно помочь продвинуть — и демократизировать — исследования светлячков. Светлячков трудно изучать в дикой природе, потому что различить виды по их вспышкам сложно всем, кроме самых преданных исследователей и заядлых любителей. Это затрудняет измерение ареала и численности популяций светлячков, даже несмотря на то, что растут опасения, что многие виды светлячков находятся на пути к исчезновению. Новая настройка может упростить сбор, анализ и совместное использование данных Firefly.
В 2021 году Сарфати использовал систему, чтобы подтвердить сообщение из Аризоны о том, что местные виды Фотинус Кнулли могут синхронизироваться, когда достаточное количество светлячков соберется вместе. В этом году лаборатория Пелега отправила 10 копий системы камер исследователям светлячков по всей территории США. Сейчас они собирают данные со световых шоу, устроенных прошлым летом восемью видами. Стремясь активизировать усилия по сохранению, группа исследователей машинного обучения в лаборатории Пелега пытается обучить алгоритм для идентификации видов по вспышкам на записанных кадрах.
Мультяшные модели светлячков десятилетиями вдохновляли математическую теорию; Пелег надеется, что более тонкие истины, которые сейчас всплывают, будут иметь такие же последствия.
Моисефф разделяет эту надежду. «Светлячки» занимались информатикой задолго до того, как мы появились, — сказал он. Изучение того, как они синхронизируются, может привести к лучшему пониманию самоорганизующегося поведения и других живых существ.
Примечание редактора: Стивен Строгац — ведущий QuantaАвтора Радость почему подкаста и член QuantaКонсультативный совет.
