I japanska folktraditioner symboliserar de avgående själar eller tyst, brinnande kärlek. Vissa inhemska kulturer i de peruanska Anderna ser dem som spökens ögon. Och över olika västerländska kulturer har eldflugor, glödmaskar och andra självlysande skalbaggar kopplats till en bländande och ibland motsägelsefull uppsättning metaforiska associationer: "barndom, skörd, undergång, alver, rädsla, habitatförändring, idyll, kärlek, tur, dödlighet, prostitution, solstånd, stjärnor och flyktighet av ord och kognition”, som en recension från 2016 noterade.
Fysiker vördar eldflugor av skäl som kan verka lika mystiska: Av de cirka 2,200 XNUMX arter som är utspridda runt om i världen har en handfull den dokumenterade förmågan att blinka synkront. I Malaysia och Thailand kan mangroveträd med eldflugor blinka i takt som om de var uppträdda med julbelysning; varje sommar i Appalachia skvalpar vågor av kuslig konkordans över åkrar och skogar. Eldflugornas ljus visar att locka kompisar och mängder av mänskliga turister, men de har också hjälpt till att utlösa några av de mest grundläggande försöken att förklara synkronisering, alkemin genom vilken utarbetad koordination uppstår från till och med mycket enkla enskilda delar.
Orit Peleg minns när hon först stötte på mysteriet med synkrona eldflugor när hon studerade fysik och datavetenskap. Eldflugorna presenterades som ett exempel på hur enkla system uppnår synkronisering i Icke-linjär dynamik och kaos, en lärobok av matematikern Steven Strogatz som hennes klass använde. Peleg hade aldrig ens sett en eldfluga, eftersom de är ovanliga i Israel, där hon växte upp.
"Det är bara så vackert att det på något sätt fastnat i mitt huvud i många, många år," sa hon. Men när Peleg startade sitt eget labb och tillämpade beräkningsmetoder för biologi vid University of Colorado och vid Santa Fe Institute, hade hon lärt sig att även om eldflugor hade inspirerat en hel del matematik, var kvantitativa data som beskrev vad insekterna faktiskt gjorde. ringa.
Hon tänkte fixa det. Under de senaste två åren har en serie papper från Pelegs grupp öppnat en brandslang med verkliga data om synkronisering hos flera eldflugearter vid flera studieplatser och med en mycket högre upplösning än tidigare modellare eller biologer hade lyckats med. "Ganska häpnadsväckande" är hur den matematiska biologen Bard Ermentrout vid University of Pittsburgh beskrev lagets resultat till Quanta. "Jag blev blåst", sa Andrew Moiseff, en biolog vid University of Connecticut.
Dessa tidningar fastställer att riktiga eldflugesvärmar avviker från de matematiska idealiseringar som flög genom tidskrifter och läroböcker i årtionden. Nästan varje modell för eldflugesynkronisering som någonsin skapats, till exempel, antar att varje eldfluga har sin egen interna metronom. Ett förtryck som Pelegs grupp publicerades i mars, dock visade att hos åtminstone en art, har individuella eldflugor ingen inneboende rytm, och den hävdade att ett kollektivt slag bara uppstår från den läskiga synergin av många blixtar samlade tillsammans. En ännu nyare förtryck, som laddades upp först i maj och uppdaterades förra veckan, dokumenterade en sällsynt typ av synkronisering som matematiker kallar ett chimärtillstånd, som har nästan aldrig observerats i den verkliga världen utanför konstruerade experiment.
Eldflugebiologer hoppas att de nya metoderna kommer att omforma vetenskapen och bevarandet av eldflugor. Matematiker som vevar fram teorier om synkroni som de som Strogatz beskrev i sin lärobok, har under tiden länge spirat ut modeller utan mycket experimentell feedback från röriga verkliga synkroniserare. "Det är det stora genombrottet", säger Strogatz, professor i matematik vid Cornell University. "Nu kan vi börja stänga slingan."
Det svårfångade beviset på synkroni
Rapporter om eldflugor som flammade unisont i Sydostasien filtrerades tillbaka till västerländsk vetenskaplig diskurs i århundraden. Tusentals eldflugor, kallade kelip-kelip i Malaysia - deras namn är en sorts visuell onomatopoeia för deras blinkande - kan bosätta sig på träd vid floden. "Deras ljus flammar och släcks av en gemensam sympati," en brittisk diplomat som turnerade i Thailand skrev i 1857. "I ett ögonblick visas varje löv och gren dekorerad med diamantliknande eld."
Alla accepterade inte dessa rapporter. "Att sådant inträffar bland insekter strider verkligen mot alla naturlagar", ett brev till tidningen Vetenskap klagade 1917 och hävdade att den skenbara effekten istället orsakades av betraktarens ofrivilliga blinkande. Ändå på 1960-talet bekräftade besökande eldflugeforskare genom kvantitativ analys vad lokala båtmän i mangroveträsk länge hade känt till.
Ett liknande scenario utspelade sig på 1990-talet, när en naturforskare från Tennessee namngav Lynn Faust läs det självsäkra publicerade påståendet från en namngiven vetenskapsman Jon Copeland att det inte fanns några synkrona eldflugor i Nordamerika. Faust visste då att det hon hade tittat på i decennier i de närliggande skogen var något anmärkningsvärt.
Faust bjöd in Copeland och Moiseff, hans medarbetare, att se en art i Great Smoky Mountains som heter Photinus carolinus. Moln av de manliga eldflugorna fyller skogar och gläntor och flyter på ungefär mänsklig höjd. Istället för att blinka i snäv koordination, avger dessa eldflugor en skur av snabba blixtar inom några sekunder, och blir sedan tysta flera gånger så länge innan de tappar en ny skur. (Föreställ dig en skara paparazzi som väntar på att kändisar ska dyka upp med jämna mellanrum, ta en salva av foton vid varje framträdande och sedan vrida tummarna i stilleståndet.)
Copeland och Moiseffs experiment visade att isolerat P. carolinus eldflugor försökte verkligen blinka på takt med en närliggande eldfluga - eller en blinkande lysdiod - i en närliggande burk. Teamet satte också upp högkänsliga videokameror vid kanterna av åkrar och skogsgläntor för att spela in blixtar. Copeland gick igenom bilderna ruta för ruta och räknade hur många eldflugor som tändes i varje ögonblick. Statistisk analys av dessa noggrant insamlade data visade att alla eldflugor inom kamerans sikt vid en scen verkligen avgav blixtar med jämna, korrelerade intervall.
Två decennier senare, när Peleg och hennes postdoc, fysikern Raphaël Sarfati, för att samla eldflugedata, fanns bättre teknik tillgänglig. De designade ett system med två GoPro-kameror placerade några meter från varandra. Eftersom kamerorna tog 360-graders video kunde de fånga dynamiken hos en eldflugesvärm inifrån, inte bara från sidan. Istället för att räkna blixtar för hand, utarbetade Sarfati bearbetningsalgoritmer som kunde triangulera eldflugablixtar som fångas av båda kamerorna och sedan registrera inte bara när varje blinkning inträffade utan var det inträffade i tredimensionellt rymden.
Sarfati tog först med detta system på fältet i Tennessee i juni 2019 för P. carolinus eldflugor som Faust hade gjort kända. Det var första gången han såg spektaklet med egna ögon. Han hade föreställt sig något som liknade de snäva scenerna med eldflugesynkronisering från Asien, men Tennessee-skurarna var stökigare, med skurar på upp till åtta snabba blixtar under cirka fyra sekunder som upprepades ungefär var 12:e sekund. Ändå var den röran spännande: Som fysiker kände han att ett system med vilda fluktuationer kunde visa sig vara mycket mer informativt än ett som uppförde sig perfekt. "Det var komplext, det var förvirrande på ett sätt, men också vackert," sa han.
Slumpmässiga men sympatiska blinkers
I sin grundutbildning med synkroniserande eldflugor lärde sig Peleg först att förstå dem genom en modell som föreslagits av den japanska fysikern Yoshiki Kuramoto. Detta är ur-modellen för synkroni, farfar till matematiska scheman som förklarar hur synkroni kan uppstå, ofta obönhörligt, i allt från grupper av pacemakerceller i mänskliga hjärtan till växelströmmar.
Som mest grundläggande behöver modeller av synkrona system beskriva två processer. En är den inre dynamiken hos en isolerad individ - i det här fallet en ensam eldfluga i en burk, styrd av en fysiologisk eller beteendemässig regel som avgör när den blinkar. Det andra är vad matematiker kallar koppling, hur blixten från en eldfluga påverkar dess grannar. Med slumpmässiga kombinationer av dessa två delar kan en kakofoni av olika agenter snabbt dra sig till en prydlig refräng.
I en Kuramoto-liknande beskrivning behandlas varje enskild eldfluga som en oscillator med en inneboende föredragen rytm. Föreställ dig att eldflugor har en gömd pendel som stadigt svänger inuti dem; föreställ dig att en bugg blinkar varje gång pendeln sveper genom botten av sin båge. Anta också att när du ser en blixt i närheten drar en eldflugas pendel för tempoinställning en liten bit framåt eller bakåt. Även om eldflugorna börjar osynkroniserat med varandra, eller om deras föredragna interna rytmer varierar individuellt, kommer ett kollektiv som styrs av dessa regler ofta att konvergera till ett koordinerat blixtmönster.
Flera varianter av detta allmänna schema har dykt upp under åren, var och en justerar reglerna för intern dynamik och koppling. 1990, Strogatz och hans kollega Rennie Mirollo från Boston College visade att en mycket enkel uppsättning eldflugeliknande oscillatorer nästan alltid skulle synkroniseras om du kopplade ihop dem, oavsett hur många individer du inkluderade. Nästa år beskrev Ermentrout hur grupper av Pteroptyx malaccae eldflugor i Sydostasien skulle kunna synkronisera genom att snabba upp eller sakta ner sina interna frekvenser. Så sent som 2018 har en grupp ledd av Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila vid Högre universitetet i San Andrés i Bolivia utarbetade ett mer komplicerat schema där eldflugor växlade fram och tillbaka mellan ett "laddningstillstånd" och ett "urladdningstillstånd" under vilket de blinkade.
Men när Peleg och Sarfatis kameror började fånga tredimensionell data från burst-sen-vänta Photinus carolinus eldflugor i Great Smokies 2019 avslöjade deras analyser nya mönster.
Den ena var bekräftelsen på något som Faust och andra eldfluganaturforskare länge hade rapporterat: En explosion av blixtar började ofta på ett ställe och sedan kaskaderade genom skogen med ungefär en halv meter per sekund. De smittsamma krusningarna antydde att kopplingen av eldflugor varken var global (med hela svärmen ansluten) eller rent lokal (med varje eldfluga som bara brydde sig om nära grannar). Istället verkade eldflugorna vara uppmärksamma på andra eldflugor på en blandning av avståndsskalor. Detta kan bero på att eldflugorna bara kan se blixtar som inträffar inom en obruten siktlinje, sa Sarfati; i skogarna kommer ofta vegetation i vägen.
Riktiga eldflugor verkar också misslyckas med kärnan i modeller med Kuramoto-smak, som behandlar varje individ som periodisk. När Peleg och Sarfati släppte en singel P. carolinus eldfluga i ett tält, avgav den slumpmässiga blixtar istället för att följa någon strikt rytm. Ibland väntade den bara några sekunder, andra gånger några minuter. "Det tar dig redan ur universum av alla befintliga modeller," sa Strogatz.
Men när teamet väl dumpade in 15 eller fler eldflugor, lyste hela tältet upp med kollektiva blixtar med ett dussintal sekunders mellanrum. Synkronin och gruppperiodiciteten var rena framväxande produkter av eldflugorna som umgicks tillsammans. I ett utkast till papper laddades upp till biorxiv.org preprint-servern förra våren, Peleg-gruppen, som arbetade med fysikern Srividya Iyer-Biswas från Purdue University och Santa Fe Institute, föreslog en helt ny modell för hur detta kunde hända.
Föreställ dig en isolerad eldfluga som just har avgett en explosion av blixtar, och överväg följande regler. Om du sekvesterar den nu kommer den att vänta ett slumpmässigt intervall innan den blinkar igen. Det finns dock en minsta väntetid som insekten behöver för att ladda sina ljusorgan. Denna eldfluga är också känslig för grupptryck: Om den ser en annan eldfluga som börjar blinka, kommer den också att blinka, så länge den fysiskt kan.
Föreställ dig nu ett helt fält av eldflugor i det tysta mörkret omedelbart efter en explosion. Var och en väljer en slumpmässig väntetid längre än laddningsperioden. Den som blinkar först inspirerar dock alla andra att hoppa in omedelbart. Hela denna process upprepas varje gång fältet blir mörkt. När antalet eldflugor ökar, blir det allt mer sannolikt att åtminstone en slumpmässigt väljer att blinka igen så snart det är biologiskt möjligt, och det kommer att sätta igång resten. Som ett resultat av detta förkortas tiden mellan skurarna mot den minsta väntetiden. Alla forskare som tittar på den här scenen kommer att se vad som ser ut som en stabil gruppljusrytm som rullar in i mörker och sedan mörkret bryter ut med ljus.
A andra förtrycket från Peleg-gruppen grävde fram ett annat exotiskt mönster. I Congaree National Park i South Carolina märkte Peleg något konstigt när hennes team tränade sin utrustning på den synkroniserande eldflugan Phototuris frontalis. "Jag minns att jag såg i ögonvrån att det finns den här lilla eldflugan som verkligen inte är på beat. Men han är fortfarande punktlig, säger hon.
Teamets analys visade att medan en huvudkör av eldflugorna blinkade i rytm, vägrade envisa utstickare att spela med. De delade samma utrymme och blinkade med sin egen period, men de var ur fas med den omgivande symfonin. Ibland verkade extremvärdena synkronisera med varandra; ibland blinkade de bara asynkront. Pelegs grupp beskriver detta som ett chimärtillstånd, en form av synkroni som först noterades av Kuramoto 2001 och utforskades av Strogatz och matematikern Daniel Abrams från Northwestern University 2004 i en matematiskt idealiserad form. Några rapporter från neuroforskare hävdar att de har sett denna typ av chimärsynkronisering i hjärncellers aktivitet under vissa experimentella förhållanden, men i övrigt har det inte observerats i naturen förrän nu.
Det är ännu inte klart varför naturen skulle gynna utvecklingen av detta hodgepodge-tillstånd av synkronisering snarare än ett mer enhetligt. Men till och med grundläggande synkronisering har alltid utgjort ett evolutionärt mysterium: hur hjälper inblandningen en enskild man att sticka ut för en potentiell partner? Peleg föreslog att studier som tittar på beteendemönster hos kvinnliga eldflugor och inte bara hanarna kan vara informativa. Hennes grupp har börjat göra det med P. carolinus eldflugor men ännu inte med chimärbenägen P. frontalis arter.
Lightning-Bug datavetenskap
För modellbyggare är loppet nu igång för att kapsla in de observerade eldflugemönstren i nya och förbättrade ramverk. Ermentrout har ett papper under granskning som ger en annan matematisk beskrivning av Photinus carolinus: Anta att i stället för att vänta en rent slumpmässig tid utöver det obligatoriska minimumet för laddning, är buggarna bara bullriga, oregelbundna oscillatorer? Eldflugorna kan då börja agera som prydliga periodiska blinkningar bara när de samlas ihop. I datorsimuleringar matchar denna modell även Peleggruppens data. "Även om vi inte programmerade in det, dyker saker som vågorna upp," sa Ermentrout.
Peleg och Sarfatis billiga kamera- och algoritmsystem kan i hög grad hjälpa till att främja - och demokratisera - forskning om eldflugor, säger biologer. Eldflugor är svåra att studera i det vilda eftersom det är svårt för alla utom de mest hängivna forskarna och hardcore hobbyisterna att skilja arter isär genom sina blixtar. Detta gör det svårt att mäta räckvidden och förekomsten av eldflugapopulationer även om rädslan ökar för att många arter av blixtar är på väg mot utrotning. Den nya inställningen kan göra det enklare att samla in, analysera och dela eldfluga-blinkande data.
År 2021 använde Sarfati systemet för att bekräfta en rapport från Arizona att den lokala arten Photinus knulli kan synkronisera när tillräckligt många eldflugor samlas. I år skickade Pelegs laboratorium 10 kopior av kamerasystemet till eldflugeforskare över hela USA. De tar nu in data från ljusshowerna som producerats i somras av åtta arter. Med ett öga mot att öka bevarandeinsatserna försöker en grupp maskininlärningsforskare inom Peleg-labbet träna en algoritm för att identifiera arter från blixtmönstren i de inspelade bilderna.
Tecknade modeller av eldflugor inspirerade matematisk teori i årtionden; Peleg hoppas att de mer nyanserade sanningarna som nu dyker upp kommer att ha liknande konsekvenser.
Moiseff delar det hoppet. Eldflugor "har gjort datavetenskap långt innan vi ens existerade", sa han. Att lära sig hur de synkroniserar kan leda till ett bättre grepp om självorganiserande beteenden även i andra levande varelser.
Redaktörens anteckning: Steven Strogatz är värd för QuantaÄr Joy of Why podcast och medlem i Quantas advisory board.
