V japonskih ljudskih tradicijah simbolizirajo odhajajoče duše ali tiho, gorečo ljubezen. Nekatere staroselske kulture v perujskih Andih nanje gledajo kot na oči duhov. V različnih zahodnih kulturah so kresnice, svetleči črvi in drugi bioluminiscenčni hrošči povezani z bleščečo in včasih protislovno paleto metaforičnih asociacij: »otroštvo, pridelek, poguba, vilini, strah, sprememba habitata, idila, ljubezen, sreča, smrtnost, prostitucija, solsticij, zvezde in minljivost besed in spoznanja,« kot je zapisano v eni recenziji iz leta 2016.
Fiziki častijo kresničke iz razlogov, ki se morda zdijo prav tako mistični: od približno 2,200 vrst, raztresenih po vsem svetu, jih ima peščica dokumentirano sposobnost sinhronega utripanja. V Maleziji in na Tajskem lahko mangrova drevesa, posejana s kresnicami, utripajo, kot bi bila nanizana z božičnimi lučkami; vsako poletje v Apalačih valovi srhljive skladnosti valovijo čez polja in gozdove. Svetlobne predstave kresnic privabljajo partnerje in množice človeških opazovalcev, pomagale pa so tudi sprožiti nekatere najbolj temeljne poskuse razlage sinhronizacije, alkimije, s katero dovršena koordinacija nastane iz celo zelo preprostih posameznih delov.
Orit Peleg se spominja, ko se je kot dodiplomska študentka fizike in računalništva prvič srečala s skrivnostjo sinhronih kresnic. Kresničke so bile predstavljene kot primer, kako preprosti sistemi dosegajo sinhronost v Nelinearna dinamika in kaos, učbenik za matematiko Steven Strogatz ki jo je uporabljal njen razred. Peleg še nikoli ni videla kresničke, saj so v Izraelu, kjer je odraščala, redke.
"Tako lep je, da mi je nekako ostal v glavi za mnogo, mnogo let," je rekla. Toda do takrat, ko je Peleg odprla svoj lasten laboratorij in uporabljala računalniške pristope k biologiji na Univerzi v Koloradu in na inštitutu Santa Fe, se je naučila, da čeprav so kresničke navdihnile veliko matematike, so bili kvantitativni podatki, ki opisujejo, kaj žuželke dejansko počnejo. skromen.
Odločila se je, da bo to popravila. V zadnjih dveh letih je serija člankov Pelegove skupine odprla gasilsko cev podatkov iz resničnega sveta o sinhroniji v več vrstah kresnic na več študijskih lokacijah in pri veliko višji ločljivosti, kot je uspelo prejšnjim modelatorjem ali biologim. "Precej osupljivo", je rekel matematični biolog Bard Ermentrout na Univerzi v Pittsburghu je rezultate ekipe opisala Quanta. "Bil sem navdušen," je rekel Andrew Moiseff, biolog na Univerzi v Connecticutu.
Ti dokumenti dokazujejo, da se resnični roji kresnic oddaljujejo od matematičnih idealizacij, ki so desetletja švigale po revijah in učbenikih. Skoraj vsak model za sinhronizacijo kresnic, ki je bil kadarkoli izdelan, na primer predpostavlja, da vsaka kresnica vzdržuje svoj notranji metronom. Prednatis, ki ga je Pelegova skupina objavljeno marcavendar je pokazal, da pri vsaj eni vrsti posamezne kresnice nimajo notranjega ritma, in postavil, da kolektivni utrip nastane le iz grozljive sinergije številnih hroščev, zbranih skupaj. An še novejši prednatis, ki je bil prvič naložen maja in posodobljen prejšnji teden, je dokumentiral a redka vrsta sinhronije ki ga matematiki imenujejo himera stanje, ki ima skoraj nikoli ni bilo opaziti v resničnem svetu zunaj izmišljenih poskusov.
Biologi kresnic upajo, da bodo nove metode preoblikovale znanost in ohranjanje kresnic. Matematiki, ki razvijajo teorije sinhronije, kot so tiste, ki jih je Strogatz opisal v svojem učbeniku, so medtem dolgo razvijali modele brez veliko eksperimentalnih povratnih informacij od neurejenih sinhronizatorjev iz resničnega sveta. "To je velik preboj," je dejal Strogatz, profesor matematike na univerzi Cornell. "Zdaj lahko začnemo zapirati zanko."
Neulovljiv dokaz sinhronije
Poročila o kresničkah, ki plahtijo v sozvočju v jugovzhodni Aziji, so se stoletja vračala v zahodni znanstveni diskurz. Na tisoče kresnic, imenovanih kelip-kelip v Maleziji - njihovo ime je nekakšna vizualna onomatopeja za njihovo mežikanje - se lahko naselijo na drevesih ob reki. "Njihova luč gori in jo ugasne skupno sočutje," britanski diplomat na potovanju po Tajski napisal v 1857. "V enem trenutku se vsak list in veja zdi okrašena z diamantom podobnim ognjem."
Teh poročil niso sprejeli vsi. "Da se kaj takega zgodi med žuželkami, je vsekakor v nasprotju z vsemi naravnimi zakoni," je bilo v enem od pisem časopisu Znanost pritožil leta 1917 in trdil, da je navidezni učinek namesto tega povzročilo gledalčevo nehoteno mežikanje. Vendar so do leta 1960 gostujoči raziskovalci kresnic s kvantitativno analizo potrdili, kar so lokalni čolnarji v močvirjih z mangrovami že dolgo vedeli.
Podoben scenarij se je zgodil v devetdesetih letih, ko je naravoslovec iz Tennesseeja imenoval Lynn Faust preberite prepričano objavljeno trditev znanstvenika z imenom Jon Copeland da v Severni Ameriki ni bilo sinhronih kresnic. Faust je takrat vedel, da je to, kar je desetletja opazovala v bližnjih gozdovih, nekaj izjemnega.
Faust je povabil Copelanda in Moiseffa, njegovega sodelavca, da si ogledata vrsto v Great Smoky Mountains, imenovano Photinus Carolinus. Oblaki samcev kresnic polnijo gozdove in jase ter lebdijo približno v človeški višini. Namesto tesno usklajenega mežikanja te kresničke v nekaj sekundah oddajo rafal hitrih bliskov, nato pa za toliko časa utihnejo, preden izgubijo še en rafal. (Predstavljajte si množico paparacev, ki v rednih časovnih presledkih čakajo, da se zvezdniki pojavijo, posnamejo salvo fotografij ob vsakem nastopu in nato v mirovanju vrtijo s palci.)
Poskusi Copelanda in Moiseffa so pokazali, da izolirana P. carolinus kresničke so res poskušale utripati s sosednjo kresnico – ali utripajočo LED – v bližnjem kozarcu. Ekipa je postavila tudi visoko občutljive video kamere na robovih polj in gozdnih jas, da bi posnela bliskavice. Copeland je šel skozi posnetek okvir za okvirjem in preštel, koliko kresnic je bilo osvetljenih v vsakem trenutku. Statistična analiza teh skrbno zbranih podatkov je dokazala, da so vse kresničke v vidnem polju kamere na prizorišču res oddajale bliskavice v rednih, koreliranih intervalih.
Dve desetletji pozneje, ko sta Peleg in njen podoktorski fizik Raphaël Sarfati, se je lotil zbiranja podatkov o kresničkah, je bila na voljo boljša tehnologija. Zasnovali so sistem dveh GoPro kamer, postavljenih nekaj metrov narazen. Ker so kamere posnele 360-stopinjski video, so lahko ujeli dinamiko roja kresnic od znotraj, ne samo od strani. Namesto ročnega štetja bliskov je Sarfati izdelal algoritme za obdelavo, ki bi lahko triangulirali bliske kresnic, ki sta jih ujeli obe kameri, in nato posneli ne samo, kdaj se je zgodil vsak mežik, ampak tudi, kje se je zgodil v tridimenzionalnem prostoru.
Sarfati je ta sistem prvič predstavil na terenu v Tennesseeju junija 2019 za P. carolinus kresnice, ki jih je zaslovel Faust. Spektakel je prvič videl na lastne oči. Predstavljal si je nekaj podobnega tesnim prizorom sinhronizacije kresnic iz Azije, vendar so bili izbruhi v Tennesseeju bolj grdi, z izbruhi do osmih hitrih bliskov v približno štirih sekundah, ki so se ponavljali približno vsakih 12 sekund. Toda ta zmešnjava je bila vznemirljiva: kot fizik je menil, da se sistem z divjimi nihanji lahko izkaže za veliko bolj informativen kot tisti, ki se obnaša popolno. "Bilo je zapleteno, v nekem smislu zmedeno, a tudi lepo," je dejal.
Naključni, a simpatični utripalci
Pelegova se je v svojem dodiplomskem študiju ukvarjala s sinhronizacijo kresnic, ki se jih je najprej naučila razumeti prek modela, ki ga je predlagal japonski fizik Jošiki Kuramoto. To je ur-model sinhronije, dedek matematičnih shem, ki pojasnjujejo, kako se lahko sinhronija pojavi, pogosto neizogibno, v čemer koli, od skupin srčnih spodbujevalnikov v človeških srcih do izmeničnih tokov.
Najosnovnejši modeli sinhronih sistemov morajo opisati dva procesa. Ena je notranja dinamika izoliranega posameznika - v tem primeru osamljena kresnička v kozarcu, ki jo ureja fiziološko ali vedenjsko pravilo, ki določa, kdaj utripa. Drugo je tisto, čemur matematiki pravijo spajanje, način, kako blisk ene kresničke vpliva na svoje sosede. Z naključnimi kombinacijami teh dveh delov se lahko kakofonija različnih agentov hitro potegne v čist refren.
V opisu v stilu Kuramoto se vsaka posamezna kresnička obravnava kot oscilator z intrinzičnim prednostnim ritmom. Predstavljajte si kresničke, kot da imajo v njih skrito nihalo, ki vztrajno niha; predstavljajte si, da žuželka utripa vsakič, ko njeno nihalo preleti spodnji del loka. Predpostavimo tudi, da opazovanje sosednjega bliska potegne nihalo kresničke, ki določa tempo, nekoliko naprej ali nazaj. Tudi če kresničke začnejo neusklajeno med seboj ali se njihovi prednostni notranji ritmi razlikujejo posamično, se bo kolektiv, ki ga urejajo ta pravila, pogosto zbližal v usklajenem vzorcu bliska.
Skozi leta se je pojavilo več različic te splošne sheme, pri čemer je vsaka prilagodila pravila notranje dinamike in sklopitve. Leta 1990 sta Strogatz in njegov kolega Rennie Mirollo z Bostonskega kolidža je dokazal, da bi se zelo preprost niz oscilatorjev, podobnih kresnici, skoraj vedno sinhroniziral, če bi jih med seboj povezali, ne glede na to, koliko posameznikov vključite. Naslednje leto je Ermentrout opisal, kako skupine Pteroptyx malaccae kresničke v jugovzhodni Aziji bi se lahko sinhronizirale tako, da bi pospešile ali upočasnile svoje notranje frekvence. Še leta 2018 je skupina pod vodstvom Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila z višje univerze v San Andrésu v Boliviji zasnoval bolj zapleteno shemo, v kateri so kresničke preklapljale naprej in nazaj med stanjem "polnjenja" in stanjem "praznjenja", med katerim so utripale.
Toda ko sta Pelegovi in Sarfatijevi kameri začeli zajemati tridimenzionalne podatke iz rafala in nato počakaj Photinus Carolinus kresnic v Great Smokies leta 2019, so njihove analize razkrile nove vzorce.
Ena je bila potrditev nečesa, o čemer so Faust in drugi naravoslovci kresnic že dolgo poročali: izbruh bliskov se je pogosto začel na enem mestu in nato padal skozi gozd s približno pol metra na sekundo. Nalezljivo valovanje je nakazovalo, da spajanje kresnic ni bilo niti globalno (s povezanim celotnim rojem) niti zgolj lokalno (pri čemer je vsaka kresnica skrbela samo za bližnje sosede). Namesto tega se je zdelo, da so kresničke pozorne na druge kresničke na mešanici razdalj. To je lahko zato, ker lahko kresničke vidijo samo bliske, ki se pojavijo znotraj neprekinjenega vidnega polja, je dejal Sarfati; v gozdovih je rastlinje pogosto v napoto.
Prav tako se zdi, da prave kresničke zaničujejo temeljno premiso modelov z okusom Kuramoto, ki vsakega posameznika obravnavajo kot periodičnega. Ko sta Peleg in Sarfati izdala singel P. carolinus kresnička v šotoru je oddajala rafe bliskov naključno, namesto da bi sledila strogemu ritmu. Včasih je čakal le nekaj sekund, drugič nekaj minut. "To vas že popelje iz vesolja vseh obstoječih modelov," je dejal Strogatz.
Ko pa je ekipa izstrelila 15 ali več kresnic, je celoten šotor zasvetil s skupnimi izbruhi bliskavic v razmaku približno ducat sekund. Sinhronija in skupinska periodičnost sta bili zgolj pojavni produkt skupnega druženja kresnic. notri osnutek papirja lani spomladi naložil na strežnik za prednatis biorxiv.org, skupina Peleg, ki sodeluje s fizikom Srividya Iyer-Biswas Univerze Purdue in inštituta Santa Fe, je predlagal povsem nov model, kako bi se to lahko zgodilo.
Predstavljajte si izolirano kresnico, ki je pravkar oddala rafal bliskov, in upoštevajte naslednja pravila. Če ga zdaj sekvestrirate, bo počakal naključni interval, preden bo znova utripal. Vendar obstaja minimalna čakalna doba, ki jo žuželka potrebuje za ponovno polnjenje svojih svetlobnih organov. Ta kresnica je tudi dovzetna za pritisk vrstnikov: če vidi drugo kresnico, ki začne utripati, bo tudi ona utripala, če le fizično lahko.
Zdaj pa si zamislite celotno polje kresnic v tihi temi takoj po izbruhu. Vsak naključno izbere čakalno dobo, ki je daljša od obdobja polnjenja. Kdor prvi zabliska, pa navduši vse ostale, da takoj vskočijo. Celoten postopek se ponovi vsakič, ko polje zatemni. Ko se število kresnic povečuje, postaja vse bolj verjetno, da se bo vsaj ena naključno odločila znova utripati, takoj ko bo to biološko mogoče, in to bo sprožilo ostale. Posledično se čas med izbruhi skrajša proti minimalni čakalni dobi. Vsi znanstveniki, ki buljijo v ta prizor, bodo videli nekaj, kar je videti kot enakomeren skupinski ritem svetlobe, ki se kotali v temo, nato pa tema izbruhne s svetlobo.
A drugi prednatis iz skupine Peleg odkril še en eksotičen vzorec. V nacionalnem parku Congaree v Južni Karolini je Peleg opazila nekaj nenavadnega, ko je njena ekipa svojo opremo usmerila na sinhronizirajočo kresnico. Photuris frontalis. »Spominjam se, da sem s kotičkom očesa videl, da obstaja ta mala kresnička, ki res ni v teku. Še vedno pa je točen,« je dejala.
Analiza ekipe je pokazala, da medtem ko je glavni zbor kresnic utripal v ritmu, trmasti izstopniki niso hoteli igrati zraven. Delili so si isti prostor in utripali s svojim obdobjem, vendar niso bili v fazi z okoliško simfonijo. Včasih se je zdelo, da se odstopanja med seboj sinhronizirajo; včasih samo utripajo asinhrono. Pelegova skupina to opisuje kot stanje himere, obliko sinhronije, ki jo je prvi opazil Kuramoto leta 2001, raziskovala pa sta jo Strogatz in matematik Daniel Abrams univerze Northwestern leta 2004 v matematično idealizirani obliki. Nekaj poročila nevroznanstvenikov trdijo, da so videli tovrstno himera sinhronijo v aktivnosti možganskih celic pod določenimi eksperimentalnimi pogoji, sicer pa je v naravi do zdaj niso opazili.
Ni še jasno, zakaj bi narava dajala prednost razvoju tega mešanega stanja sinhronizacije namesto bolj enotnega. Toda tudi osnovna sinhronost je vedno predstavljala evolucijsko skrivnost: kako mešanje pomaga vsakemu posameznemu samcu, da izstopa pred potencialno partnerko? Peleg je predlagal, da bi bile lahko informativne študije, ki preučujejo vedenjske vzorce samic kresnic in ne le samcev. Njena skupina je to začela početi z P. carolinus kresničke, vendar še ne s himerami nagnjenimi P. frontalis vrst.
Lightning-Bug Računalništvo
Za modelarje se zdaj nadaljuje tekma za zajem opazovanih vzorcev kresničke v nove in izboljšane okvire. Ermentrout ima v pregledu dokument, ki ponuja drugačen matematični opis Photinus Carolinus: Recimo, da so hrošči le hrupni, nepravilni oscilatorji, namesto da bi čakali povsem naključno količino časa, ki presega obvezni minimum za ponovno polnjenje? Kresnice se lahko nato začnejo obnašati kot urejene periodične utripalke šele, ko so zbrane skupaj. V računalniških simulacijah se ta model ujema tudi s podatki skupine Peleg. »Čeprav tega nismo programirali, se pojavijo stvari, kot so valovi,« je dejal Ermentrout.
Pelegov in Sarfatijev poceni sistem kamer in algoritmov lahko močno pripomore k napredku — in demokratizaciji — raziskav kresnic, pravijo biologi. Kresničke je težko preučevati v naravi, ker je razlikovanje vrst po njihovih bliskih težko za vse, razen za najbolj predane raziskovalce in zagrizene ljubitelje. Zaradi tega je merjenje obsega in številčnosti populacij kresnic zahtevno, čeprav se povečuje strah, da so številne vrste hroščev na poti k izumrtju. Nova nastavitev lahko olajša zbiranje, analizo in skupno rabo utripajočih podatkov.
Leta 2021 je Sarfati uporabil sistem za potrditev poročila iz Arizone, da lokalne vrste Photinus knulli lahko sinhronizira, ko se zbere dovolj kresnic. Letos je Pelegov laboratorij poslal 10 kopij sistema kamer raziskovalcem kresnic po vsej ZDA. Zdaj zbirajo podatke iz svetlobnih predstav, ki jih je prejšnje poletje ustvarilo osem vrst. Skupina raziskovalcev strojnega učenja v laboratoriju Peleg poskuša usposobiti algoritem za prepoznavanje vrst na podlagi bliskovitih vzorcev v posnetih posnetkih s pogledom na spodbujanje prizadevanj za ohranjanje.
Risani modeli kresnic so desetletja navdihovali matematično teorijo; Peleg upa, da bodo bolj niansirane resnice, ki se zdaj pojavljajo, imele podobne posledice.
Moiseff deli to upanje. Fireflies "so se ukvarjali z računalništvom še preden smo sploh obstajali," je dejal. Učenje, kako se sinhronizirajo, bi lahko vodilo k boljšemu razumevanju samoorganizirajočega se vedenja tudi pri drugih živih bitjih.
Opomba urednika: Gostitelj je Steven Strogatz QuantaJe Veselje zakaj podcast in član Quantasvetovalni odbor.
