หิ่งห้อยกะพริบในซิงค์ได้อย่างไร การศึกษาเสนอคำตอบใหม่

ในประเพณีพื้นบ้านของญี่ปุ่น พวกเขาเป็นสัญลักษณ์ของวิญญาณที่จากไปหรือความรักที่เงียบงันและร้อนแรง วัฒนธรรมพื้นเมืองบางอย่างในเทือกเขาแอนดีสของเปรูถือว่าพวกเขาเป็นดวงตาของผี และในวัฒนธรรมตะวันตกที่หลากหลาย หิ่งห้อย หนอนเรืองแสง และแมลงปีกแข็งเรืองแสงอื่น ๆ เชื่อมโยงกับอุปมาอุปมัยที่แพรวพราวและบางครั้งก็ขัดแย้งกัน: "วัยเด็ก พืชผล หายนะ เอลฟ์ ความกลัว การเปลี่ยนแปลงที่อยู่อาศัย ไอดีล ความรัก โชค ความเป็นมรรตัย โสเภณี ครีษมายัน ดวงดาว และความหายวับไปของคำและการรับรู้” ตามที่บทวิจารณ์ฉบับหนึ่งในปี 2016 ระบุไว้

นักฟิสิกส์นับถือหิ่งห้อยด้วยเหตุผลที่อาจดูเหมือนลึกลับ: จากจำนวนประมาณ 2,200 สายพันธุ์ที่กระจายอยู่ทั่วโลก มีเพียงไม่กี่ตัวที่มีความสามารถในการกะพริบพร้อมกัน ในมาเลเซียและไทย ต้นโกงกางที่มีหิ่งห้อยสามารถกระพริบเป็นจังหวะได้ราวกับถูกพันด้วยไฟคริสต์มาส ทุกฤดูร้อนในแอปพาเลเชีย คลื่นแห่งความสอดคล้องอันน่าขนลุกจะกระเพื่อมไปทั่วท้องทุ่งและผืนป่า แสงของหิ่งห้อยแสดงให้เห็นเพื่อนร่วมล่อและฝูงชนของมนุษย์ที่พบเห็น แต่พวกมันยังช่วยจุดประกายความพยายามขั้นพื้นฐานที่สุดบางประการในการอธิบายการซิงโครไนซ์ การเล่นแร่แปรธาตุที่การประสานอย่างประณีตเกิดขึ้นจากแม้แต่ชิ้นส่วนที่เรียบง่ายมากๆ

โอริท เปเลก จำได้ว่าเมื่อเธอพบความลึกลับของหิ่งห้อยซิงโครนัสครั้งแรกเมื่อเรียนปริญญาตรีสาขาฟิสิกส์และวิทยาการคอมพิวเตอร์ หิ่งห้อยถูกนำเสนอเป็นตัวอย่างของการที่ระบบง่ายๆ บรรลุการซิงโครไนซ์ใน พลวัตที่ไม่เชิงเส้นและความโกลาหล, หนังสือเรียนโดยนักคณิตศาสตร์ สตีเว่น สโตรกัซ ที่ชั้นเรียนของเธอใช้ Peleg ไม่เคยเห็นแม้แต่หิ่งห้อย เพราะเป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในอิสราเอล ซึ่งเธอเติบโตมา

“มันสวยงามมากจนติดอยู่ในหัวของฉันเป็นเวลาหลายปี” เธอกล่าว แต่เมื่อถึงเวลาที่ Peleg เริ่มห้องทดลองของเธอเอง โดยใช้วิธีการคำนวณทางชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยโคโลราโดและที่สถาบันซานตาเฟ่ เธอได้เรียนรู้ว่าแม้ว่าหิ่งห้อยจะสร้างแรงบันดาลใจให้กับวิชาคณิตศาสตร์มากมาย แต่ข้อมูลเชิงปริมาณที่อธิบายถึงสิ่งที่แมลงกำลังทำอยู่นั้น ขาดแคลน

เธอตั้งใจที่จะแก้ไขปัญหานั้น ในช่วงสองปีที่ผ่านมา เอกสารหลายชุดจากกลุ่มของ Peleg ได้เปิดเผยข้อมูลในโลกแห่งความเป็นจริงเกี่ยวกับการซิงโครไนซ์ของหิ่งห้อยหลายสายพันธุ์ ณ สถานที่ศึกษาหลายแห่ง และมีความละเอียดสูงกว่าผู้สร้างแบบจำลองหรือนักชีววิทยาคนก่อนๆ ที่เคยจัดการ “ค่อนข้างน่าทึ่ง” เป็นวิธีที่นักชีววิทยาคณิตศาสตร์ บาร์ด เออร์เมนเทราต์ ที่มหาวิทยาลัยพิตต์สเบิร์กได้อธิบายถึงผลลัพธ์ของทีม ควอนตั้ม. “ฉันถูกปลิวไป” กล่าว แอนดรูว์ มอยเซฟฟ์นักชีววิทยาแห่งมหาวิทยาลัยคอนเนตทิคัต

เอกสารเหล่านี้ระบุว่าฝูงหิ่งห้อยจริง ๆ ออกจากอุดมคติทางคณิตศาสตร์ที่กระพือปีกผ่านวารสารและตำราเรียนมานานหลายทศวรรษ ตัวอย่างเช่น เกือบทุกรุ่นสำหรับการซิงโครไนซ์หิ่งห้อยที่เคยปรุง จะถือว่าหิ่งห้อยแต่ละตัวมีเครื่องเมตรอนอมภายในของตัวเอง พิมพ์ล่วงหน้าว่ากลุ่มของ Peleg โพสต์เมื่อ มีนาคมอย่างไรก็ตาม แสดงให้เห็นว่าในอย่างน้อยหนึ่งสปีชีส์ หิ่งห้อยแต่ละตัวไม่มีจังหวะการเต้นที่แท้จริง และมันแสดงให้เห็นว่าการเต้นแบบรวมเกิดขึ้นจากการทำงานร่วมกันที่น่ากลัวของแมลงฟ้าผ่าจำนวนมากที่มารวมตัวกันเท่านั้น หนึ่ง พิมพ์ล่วงหน้าล่าสุดอัปโหลดครั้งแรกในเดือนพฤษภาคมและอัปเดตเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว จัดทำเอกสาร ก ประเภทของซิงโครไนซ์ที่หายาก ที่นักคณิตศาสตร์เรียกว่าสภาวะไคเมราซึ่งมี แทบไม่เคยถูกสังเกต ในโลกแห่งความเป็นจริงนอกการทดลองที่ประดิษฐ์ขึ้น

นักชีววิทยาหิ่งห้อยหวังว่าวิธีการใหม่นี้จะช่วยพลิกโฉมหน้าวิทยาศาสตร์และการอนุรักษ์หิ่งห้อย นักคณิตศาสตร์สร้างทฤษฎีของการซิงโครไนซ์เช่นเดียวกับที่ Strogatz อธิบายไว้ในตำราของเขา ในขณะเดียวกันก็แยกตัวแบบออกมาเป็นเวลานานโดยไม่มีผลตอบรับจากการทดลองมากนักจากตัวซิงโครไนซ์ในโลกแห่งความเป็นจริงที่ยุ่งเหยิง “นั่นคือความก้าวหน้าครั้งใหญ่” Strogatz ศาสตราจารย์ด้านคณิตศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัย Cornell กล่าว “ตอนนี้เราสามารถเริ่มปิดลูปได้แล้ว”

หลักฐานการซิงโครไนซ์ที่เข้าใจยาก

รายงานเกี่ยวกับหิ่งห้อยที่บินพร้อมกันในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ถูกกรองกลับไปยังวาทกรรมทางวิทยาศาสตร์ของชาวตะวันตกมานานหลายศตวรรษ หิ่งห้อยพันตัว ก็เรียก kelip-kelip ในประเทศมาเลเซีย — ชื่อของพวกเขาเป็นคำเลียนเสียงธรรมชาติที่มองเห็นได้สำหรับการกระพริบตา — สามารถอาศัยอยู่บนต้นไม้ริมแม่น้ำ “แสงของพวกเขาลุกโชนและดับลงด้วยความเห็นอกเห็นใจร่วมกัน” นักการทูตอังกฤษเยือนไทย เขียนใน 1857. “ในทันใดนั้น ทุกใบและกิ่งก้านก็ประดับด้วยไฟดุจเพชร”

ไม่ใช่ทุกคนที่ยอมรับรายงานเหล่านี้ “การที่สิ่งนี้เกิดขึ้นในหมู่แมลงนั้นขัดต่อกฎธรรมชาติทั้งหมดอย่างแน่นอน” จดหมายฉบับหนึ่งถึงวารสาร วิทยาศาสตร์ บ่นในปี พ.ศ. 1917 โดยโต้แย้งว่าผลที่ปรากฏนั้นเกิดจากการที่ผู้ชมกระพริบตาโดยไม่สมัครใจ ถึงกระนั้นในทศวรรษที่ 1960 นักวิจัยหิ่งห้อยที่ไปเยี่ยมชมได้ยืนยันผ่านการวิเคราะห์เชิงปริมาณว่าชาวเรือท้องถิ่นในหนองน้ำป่าชายเลนรู้จักมานานแล้ว

สถานการณ์ที่คล้ายกันเกิดขึ้นในปี 1990 เมื่อนักธรรมชาติวิทยาชาวเทนเนสซีชื่อ ลินน์ เฟาสท์ อ่านการยืนยันที่เผยแพร่อย่างมั่นใจของนักวิทยาศาสตร์ชื่อ จอน โคปแลนด์ ว่าไม่มีหิ่งห้อยแบบซิงโครนัสในอเมริกาเหนือ เฟาสต์รู้แล้วว่าสิ่งที่เธอเฝ้าดูมานานหลายสิบปีในป่าใกล้ๆ นั้นเป็นสิ่งที่น่าทึ่ง

Faust เชิญ Copeland และ Moiseff ผู้ร่วมงานของเขา ไปดูสัตว์ชนิดหนึ่งใน Great Smoky Mountains ที่เรียกว่า โฟตินัส แคโรลินัส. เมฆหิ่งห้อยตัวผู้ปกคลุมทั่วป่าและที่โล่ง ลอยอยู่สูงประมาณมนุษย์ แทนที่จะกระพริบตาพร้อมกัน หิ่งห้อยเหล่านี้จะปล่อยแสงวาบอย่างรวดเร็วภายในเวลาไม่กี่วินาที แล้วเงียบไปหลายครั้งก่อนที่จะสูญเสียแสงระยิบระยับอีกครั้ง (ลองนึกภาพปาปารัซซีกลุ่มหนึ่งเฝ้ารอเหล่าคนดังปรากฏตัวตามช่วงเวลาปกติ ถ่ายภาพรัวๆ ทุกครั้งที่ปรากฎตัว แล้วยกนิ้วโป้งให้ในช่วงหยุดทำงาน)

การทดลองของโคปแลนด์และมอยเซฟฟ์แสดงให้เห็นว่าแยกได้ พี. คาโรลินัส หิ่งห้อยพยายามกระพริบเป็นจังหวะกับหิ่งห้อยที่อยู่ใกล้เคียง หรือไฟ LED ที่กระพริบในขวดโหลที่อยู่ใกล้เคียง ทีมงานยังได้ติดตั้งกล้องวิดีโอความไวแสงสูงที่ขอบทุ่งนาและพื้นที่โล่งในป่าเพื่อบันทึกแสงวาบ โคปแลนด์เดินผ่านฟุตเทจทีละเฟรม โดยนับจำนวนหิ่งห้อยที่ส่องแสงในแต่ละช่วงเวลา การวิเคราะห์ทางสถิติของข้อมูลที่รวบรวมมาด้วยความอุตสาหะนี้พิสูจน์ให้เห็นว่าหิ่งห้อยทั้งหมดที่อยู่ในมุมมองของกล้องในฉากหนึ่งๆ ปล่อยแสงแฟลชในช่วงเวลาปกติที่สัมพันธ์กัน

สองทศวรรษต่อมา เมื่อ Peleg และ postdoc ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ ราฟาเอล ซาร์ฟาติออกไปเก็บข้อมูลหิ่งห้อย มีเทคโนโลยีที่ดีกว่า พวกเขาออกแบบระบบของกล้อง GoPro สองตัวที่วางห่างกันไม่กี่ฟุต เนื่องจากกล้องถ่ายวิดีโอแบบ 360 องศา จึงสามารถจับภาพการเปลี่ยนแปลงของฝูงหิ่งห้อยจากภายใน ไม่ใช่แค่จากด้านข้างเท่านั้น แทนที่จะนับแสงวาบด้วยมือ Sarfati ได้คิดค้นอัลกอริทึมการประมวลผลที่สามารถระบุแสงแฟลชหิ่งห้อยที่กล้องทั้งสองจับได้ จากนั้นจึงบันทึกไม่เพียงแค่เวลาที่กระพริบแต่ละครั้งเท่านั้น แต่รวมถึงจุดที่เกิดขึ้นในพื้นที่สามมิติด้วย

Sarfati นำระบบนี้เข้าสู่ภาคสนามเป็นครั้งแรกในรัฐเทนเนสซีในเดือนมิถุนายน 2019 สำหรับ พี. คาโรลินัส หิ่งห้อยที่เฟาสท์สร้างชื่อเสียง นี่เป็นครั้งแรกที่เขาได้เห็นปรากฏการณ์ด้วยตาของเขาเอง เขาเคยนึกภาพบางอย่างเช่นฉากหิ่งห้อยซิงโครไนซ์จากเอเชีย แต่การระเบิดในรัฐเทนเนสซีนั้นยุ่งเหยิงกว่า โดยระเบิดอย่างรวดเร็วถึงแปดครั้งในช่วงเวลาประมาณสี่วินาทีซ้ำทุก ๆ 12 วินาที ความยุ่งเหยิงนั้นน่าตื่นเต้น: ในฐานะนักฟิสิกส์ เขารู้สึกว่าระบบที่มีความผันผวนรุนแรงสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีข้อมูลมากกว่าระบบที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ “มันซับซ้อน สับสนในความรู้สึก แต่ก็สวยงามด้วย” เขากล่าว

Flashers แบบสุ่ม แต่เห็นอกเห็นใจ

ในพู่กันระดับปริญญาตรีของเธอที่มีการซิงโครไนซ์หิ่งห้อย Peleg เรียนรู้ที่จะเข้าใจพวกมันเป็นครั้งแรกผ่านแบบจำลองที่เสนอโดยนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น โยชิกิ คูราโมโต้. นี่คือแบบจำลองของคุณของการซิงโครไนซ์ ซึ่งเป็นปู่ของแผนทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายว่าซิงโครไนซ์สามารถเกิดขึ้นได้อย่างไร มักจะไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ในสิ่งใดๆ ตั้งแต่กลุ่มของเซลล์เครื่องกระตุ้นหัวใจในหัวใจของมนุษย์ไปจนถึงกระแสสลับ

โดยพื้นฐานแล้ว แบบจำลองของระบบซิงโครนัสจำเป็นต้องอธิบายสองกระบวนการ หนึ่งคือพลวัตภายในของบุคคลที่โดดเดี่ยว ในกรณีนี้คือหิ่งห้อยที่โดดเดี่ยวในขวดโหล ซึ่งอยู่ภายใต้กฎทางสรีรวิทยาหรือพฤติกรรมที่กำหนดว่าเมื่อใดที่แสงจะวาบ ประการที่สองคือสิ่งที่นักคณิตศาสตร์เรียกว่าการมีเพศสัมพันธ์ วิธีที่แสงแฟลชของหิ่งห้อยตัวหนึ่งส่งอิทธิพลต่อเพื่อนบ้านของมัน ด้วยการผสมผสานโดยบังเอิญของทั้งสองส่วน เสียงขรมของตัวแทนที่แตกต่างกันสามารถดึงตัวเองเข้าสู่คอรัสที่เรียบร้อยได้อย่างรวดเร็ว

ในคำอธิบายแบบคุราโมโตะ หิ่งห้อยแต่ละตัวได้รับการปฏิบัติเหมือนเป็นออสซิลเลเตอร์ที่มีจังหวะที่ต้องการในตัว ลองนึกภาพหิ่งห้อยว่ามีลูกตุ้มที่ซ่อนอยู่แกว่งไปมาอย่างมั่นคงอยู่ภายในตัวพวกมัน จินตนาการว่าแมลงจะกะพริบทุกครั้งที่ลูกตุ้มกวาดผ่านส่วนโค้งด้านล่าง สมมติว่าการเห็นแฟลชที่อยู่ใกล้เคียงดึงลูกตุ้มกำหนดความเร็วของหิ่งห้อยไปข้างหน้าหรือข้างหลังเล็กน้อย แม้ว่าหิ่งห้อยจะเริ่มต้นไม่สอดคล้องกัน หรือจังหวะภายในที่พวกมันต้องการจะแตกต่างกันไปในแต่ละตัว กลุ่มที่อยู่ภายใต้กฎเหล่านี้มักจะมาบรรจบกันในรูปแบบแสงแฟลชที่ประสานกัน

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา รูปแบบทั่วไปนี้มีการเปลี่ยนแปลงหลายอย่าง โดยแต่ละรูปแบบจะปรับเปลี่ยนกฎของพลวัตภายในและการมีเพศสัมพันธ์ ในปี 1990 Strogatz และเพื่อนร่วมงานของเขา เรนนี่ มิโรลโล่ จากวิทยาลัยบอสตันพิสูจน์ว่าออสซิลเลเตอร์ที่มีลักษณะคล้ายหิ่งห้อยธรรมดาชุดหนึ่งจะซิงโครไนซ์เกือบตลอดเวลาหากคุณเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน ไม่ว่าคุณจะรวมไว้กี่คนก็ตาม ในปีหน้า Ermentrout อธิบายว่ากลุ่มของ Pteroptyx malacae หิ่งห้อยในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้สามารถประสานกันได้โดยการเร่งความเร็วหรือลดความถี่ภายในของพวกมัน เมื่อเร็ว ๆ นี้ในปี 2018 กลุ่มที่นำโดย กอนซาโล มาร์เซโล รามิเรซ-อาบีลา จาก Higher University of San Andrés ในโบลิเวียได้คิดค้นรูปแบบที่ซับซ้อนขึ้น โดยหิ่งห้อยจะสลับไปมาระหว่างสถานะ "กำลังชาร์จ" และสถานะ "ปล่อยประจุ" ซึ่งระหว่างนั้นหิ่งห้อยจะกะพริบแสง

แต่เมื่อกล้องของ Peleg และ Sarfati เริ่มจับภาพข้อมูลสามมิติจากการระเบิดแล้วรอ โฟตินัส แคโรลินัส หิ่งห้อยใน Great Smokies ในปี 2019 การวิเคราะห์ของพวกเขาเผยให้เห็นรูปแบบใหม่

สิ่งหนึ่งคือการยืนยันบางสิ่งที่เฟาสท์และนักธรรมชาติวิทยาหิ่งห้อยคนอื่นๆ ได้รายงานไว้นานแล้ว นั่นคือแสงวาบมักจะเริ่มขึ้นในที่แห่งเดียวแล้วไหลเป็นน้ำตกผ่านป่าด้วยความเร็วประมาณครึ่งเมตรต่อวินาที ระลอกคลื่นที่ติดต่อได้ชี้ให้เห็นว่าการอยู่รวมกันของหิ่งห้อยนั้นไม่ใช่ทั้งฝูง (ทั้งฝูงเชื่อมต่อกัน) หรือเฉพาะที่เท่านั้น (โดยหิ่งห้อยแต่ละตัวจะสนใจเพื่อนบ้านที่ใกล้ชิดเท่านั้น) ในทางกลับกัน หิ่งห้อยดูเหมือนจะให้ความสนใจกับหิ่งห้อยตัวอื่นในระยะทางที่ผสมกัน อาจเป็นเพราะหิ่งห้อยสามารถมองเห็นแสงวาบที่เกิดขึ้นภายในแนวสายตาที่ไม่ขาดสายเท่านั้น Sarfati กล่าว ในป่า พืชพรรณมักจะเข้ามาขวางทาง

หิ่งห้อยตัวจริงก็ดูเหมือนจะดูหมิ่นหลักการสำคัญของแบบจำลองกลิ่นคุราโมโตะ ซึ่งปฏิบัติต่อแต่ละคนเป็นระยะๆ เมื่อ Peleg และ Sarfati ออกซิงเกิ้ล พี. คาโรลินัส หิ่งห้อยในกระโจม มันปล่อยแสงวาบแบบสุ่มแทนที่จะเป็นจังหวะที่เข้มงวด บางครั้งรอเพียงไม่กี่วินาที บางครั้งก็ไม่กี่นาที “นั่นนำคุณออกจากจักรวาลของโมเดลที่มีอยู่ทั้งหมดแล้ว” Strogatz กล่าว

แต่เมื่อทีมปล่อยหิ่งห้อย 15 ตัวขึ้นไป เต็นท์ทั้งหลังจะสว่างขึ้นพร้อมกับแสงวาบรวมกันโดยห่างกันประมาณ XNUMX วินาที การซิงโครไนซ์และช่วงเวลาของกลุ่มเป็นเพียงผลผลิตของหิ่งห้อยที่ออกมาอยู่ด้วยกันเท่านั้น ใน กระดาษร่าง อัปโหลดไปยังเซิร์ฟเวอร์ preprint ของ biorxiv.org เมื่อฤดูใบไม้ผลิที่แล้ว กลุ่ม Peleg ซึ่งทำงานร่วมกับนักฟิสิกส์ ศรีวิทยา อิเยอร์-บิสวาส แห่ง Purdue University และ Santa Fe Institute ได้แนะนำโมเดลใหม่ว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร

ลองนึกภาพหิ่งห้อยที่อยู่โดดเดี่ยวที่เพิ่งเปล่งแสงวาบออกมา และพิจารณากฎต่อไปนี้ หากคุณแยกชิ้นส่วนตอนนี้ มันจะรอช่วงเวลาหนึ่งก่อนที่จะกระพริบอีกครั้ง อย่างไรก็ตาม มีเวลารอขั้นต่ำที่แมลงต้องการเพื่อชาร์จอวัยวะที่เบาของมัน หิ่งห้อยชนิดนี้ยังไวต่อแรงกดจากคนรอบข้าง: หากเห็นหิ่งห้อยตัวอื่นเริ่มกะพริบ มันก็จะกะพริบด้วยเช่นกัน ตราบใดที่มันทำได้

ตอนนี้ลองนึกภาพหิ่งห้อยทั้งทุ่งในความมืดอันเงียบสงบทันทีหลังจากการระเบิด แต่ละคนเลือกเวลารอแบบสุ่มนานกว่าระยะเวลาการชาร์จ แต่ใครก็ตามที่กะพริบก่อนจะเป็นแรงบันดาลใจให้คนอื่น ๆ กระโดดเข้ามาทันที กระบวนการทั้งหมดนี้ทำซ้ำทุกครั้งที่ฟิลด์มืดลง เมื่อจำนวนหิ่งห้อยเพิ่มมากขึ้น มีแนวโน้มมากขึ้นที่อย่างน้อยหนึ่งตัวจะสุ่มเลือกที่จะกะพริบอีกครั้งโดยเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ทางชีววิทยา และนั่นจะทำให้ตัวอื่นๆ หายไป เป็นผลให้เวลาระหว่างการระเบิดสั้นลงจนเหลือเวลารอขั้นต่ำ นักวิทยาศาสตร์คนใดก็ตามที่มองดูฉากนี้จะเห็นสิ่งที่ดูเหมือนเป็นจังหวะกลุ่มที่มั่นคงของแสงที่กลิ้งไปในความมืด จากนั้นความมืดก็ปะทุขึ้นพร้อมกับแสง

A พิมพ์ล่วงหน้าครั้งที่สอง จากกลุ่ม Peleg ได้ค้นพบรูปแบบที่แปลกใหม่ ในอุทยานแห่งชาติคองการีในเซาท์แคโรไลนา Peleg สังเกตเห็นสิ่งแปลก ๆ เมื่อทีมของเธอฝึกอุปกรณ์ของพวกเขาในการซิงโครไนซ์หิ่งห้อย โฟทูริส ฟรอนตาลิส “ฉันจำได้ว่าเห็นจากหางตาว่ามีหิ่งห้อยตัวน้อยตัวนี้ที่บินไม่เป็นจังหวะ แต่เขาก็ยังตรงต่อเวลา” เธอกล่าว

การวิเคราะห์ของทีมแสดงให้เห็นว่าในขณะที่หิ่งห้อยเปล่งแสงเป็นจังหวะ พวกเขาแบ่งปันพื้นที่เดียวกันและเปล่งประกายด้วยช่วงเวลาของพวกเขาเอง แต่พวกเขาไม่ได้อยู่ในวงซิมโฟนีที่อยู่รายรอบ บางครั้งค่าผิดปกติดูเหมือนจะประสานกัน บางครั้งพวกเขาก็กะพริบแบบอะซิงโครนัส กลุ่มของ Peleg อธิบายว่าสภาวะนี้เป็นสภาวะไคเมรา ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของซิงโครนีที่คุราโมโตะค้นพบครั้งแรกในปี 2001 และสำรวจโดยสโตรกัซและนักคณิตศาสตร์ แดเนียล อับรามส์ ของมหาวิทยาลัย Northwestern ในปี 2004 ในรูปแบบอุดมคติทางคณิตศาสตร์ จำนวนน้อย รายงานจากนักประสาทวิทยา อ้างว่าได้เห็นไคเมราซิงโครไนซ์ชนิดนี้ในกิจกรรมของเซลล์สมองภายใต้เงื่อนไขการทดลองบางอย่าง แต่อย่างอื่นยังไม่มีใครสังเกตเห็นในธรรมชาติจนกระทั่งปัจจุบัน

ยังไม่ชัดเจนว่าทำไมธรรมชาติถึงสนับสนุนวิวัฒนาการของสถานะการซิงโครไนซ์ผสมนี้มากกว่าที่จะเป็นรูปแบบเดียวกัน แต่แม้แต่การซิงโครไนซ์ขั้นพื้นฐานก็ยังทำให้เกิดความลึกลับของวิวัฒนาการเสมอ: การผสมเข้าด้วยกันช่วยให้ผู้ชายแต่ละคนโดดเด่นกว่าคู่ครองได้อย่างไร Peleg เสนอว่าการศึกษารูปแบบพฤติกรรมของหิ่งห้อยตัวเมียและไม่ใช่เฉพาะตัวผู้อาจเป็นข้อมูลได้ กลุ่มของเธอได้เริ่มที่จะทำเช่นนั้นกับ พี. คาโรลินัส หิ่งห้อย แต่ยังไม่ถึงกับฝันง่าย พี. ฟรอนตาลิส สายพันธุ์

วิทยาการคอมพิวเตอร์ Lightning-Bug

สำหรับนักสร้างโมเดล การแข่งขันได้เริ่มขึ้นแล้วเพื่อสรุปรูปแบบหิ่งห้อยที่สังเกตได้ในเฟรมเวิร์กใหม่และที่ได้รับการปรับปรุง Ermentrout มีบทความอยู่ระหว่างการตรวจสอบซึ่งมีคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ที่แตกต่างกัน โฟตินัส แคโรลินัส: สมมติว่าแทนที่จะรอระยะเวลาสุ่มอย่างหมดจดเกินกว่าเวลาขั้นต่ำที่บังคับสำหรับการชาร์จใหม่ ข้อบกพร่องเป็นเพียงออสซิลเลเตอร์ที่มีเสียงดังและผิดปกติ? จากนั้นหิ่งห้อยอาจเริ่มแสดงแสงวาบเป็นระยะๆ เมื่อรวมตัวกันเท่านั้น ในการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ แบบจำลองนี้ยังตรงกับข้อมูลของกลุ่ม Peleg Ermentrout กล่าวว่า "แม้ว่าเราจะไม่ได้ตั้งโปรแกรมไว้ แต่สิ่งต่างๆ เช่น คลื่นก็ปรากฏขึ้น"

นักชีววิทยากล่าวว่าระบบกล้องและอัลกอริทึมราคาไม่แพงของ Peleg และ Sarfati อาจช่วยให้การวิจัยหิ่งห้อยก้าวหน้าและทำให้เป็นประชาธิปไตยได้อย่างมาก หิ่งห้อยเป็นเรื่องยากที่จะศึกษาในป่า เพราะการบอกชนิดของหิ่งห้อยด้วยแสงแฟลชเป็นเรื่องยากสำหรับทุกคน แต่นักวิจัยที่ทุ่มเทที่สุดและผู้มีงานอดิเรกที่ไม่ยอมใครง่ายๆ สิ่งนี้ทำให้การวัดระยะและจำนวนประชากรหิ่งห้อยจำนวนมากเป็นเรื่องท้าทาย แม้ว่าจะมีความกลัวว่าแมลงฟ้าผ่าหลายชนิดกำลังจะสูญพันธุ์ การตั้งค่าใหม่นี้ช่วยให้รวบรวม วิเคราะห์ และแชร์ข้อมูลการกะพริบของหิ่งห้อยได้ง่ายขึ้น

ในปี 2021 Sarfati ใช้ระบบนี้เพื่อยืนยันรายงานจากแอริโซนาว่าสายพันธุ์ท้องถิ่น โพธินุส กุลลิ สามารถซิงโครไนซ์ได้เมื่อหิ่งห้อยรวมตัวกันมากพอ ในปีนี้ ห้องปฏิบัติการของ Peleg ได้ส่งสำเนาระบบกล้องจำนวน 10 ชุดไปให้นักวิจัยหิ่งห้อยทั่วสหรัฐฯ ขณะนี้ พวกเขากำลังรวบรวมข้อมูลจากการแสดงแสงที่เกิดขึ้นในฤดูร้อนที่ผ่านมาโดย XNUMX สายพันธุ์ กลุ่มนักวิจัยด้านแมชชีนเลิร์นนิงในห้องปฏิบัติการ Peleg พยายามฝึกอัลกอริทึมเพื่อระบุชนิดพันธุ์จากรูปแบบแฟลชในวิดีโอที่บันทึกไว้ ด้วยเป้าหมายที่จะส่งเสริมความพยายามในการอนุรักษ์

แบบจำลองหิ่งห้อยที่เป็นการ์ตูนเป็นแรงบันดาลใจให้กับทฤษฎีทางคณิตศาสตร์มานานหลายทศวรรษ Peleg หวังว่าความจริงที่เหมาะสมยิ่งที่เกิดขึ้นในขณะนี้จะเป็นผลสืบเนื่องในทำนองเดียวกัน

Moiseff แบ่งปันความหวังนั้น หิ่งห้อย “ทำวิทยาการคอมพิวเตอร์ได้ดีตั้งแต่ก่อนที่เราจะมีตัวตนเสียอีก” เขากล่าว การเรียนรู้วิธีการซิงโครไนซ์สามารถนำไปสู่การเข้าใจพฤติกรรมการจัดระเบียบตนเองในสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ได้ดีขึ้นเช่นกัน

หมายเหตุบรรณาธิการ: Steven Strogatz เป็นเจ้าของที่พักดีเด่น ควอนตั้ม's ความสุขของทำไม พอดคาสต์และเป็นสมาชิกของ ควอนตั้มคณะกรรมการที่ปรึกษา