Japon halk geleneklerinde, ayrılan ruhları veya sessiz, ateşli aşkı sembolize ederler. Peru And Dağları'ndaki bazı Yerli kültürler onları hayaletlerin gözleri olarak görüyor. Ve çeşitli Batı kültürlerinde, ateşböcekleri, parlayan solucanlar ve diğer biyolüminesans böcekler, göz kamaştırıcı ve zaman zaman çelişkili bir dizi metaforik çağrışımla ilişkilendirilmiştir: “çocukluk, mahsul, kıyamet, elfler, korku, habitat değişikliği, idil, aşk, şans, 2016 tarihli bir incelemede belirtildiği gibi, ölümlülük, fuhuş, gündönümü, yıldızlar ve kelimelerin ve bilişin geçiciliği”.
Fizikçiler ateşböceklerine mistik gibi görünebilecek nedenlerle tapıyorlar: Dünyaya dağılmış yaklaşık 2,200 türden bir avuç, eşzamanlı olarak yanıp sönme yeteneğine sahip. Malezya ve Tayland'da, ateş böceği çivili mangrov ağaçları sanki Noel ışıklarıyla asılmış gibi yanıp sönebilir; Appalachia'da her yaz, ürkütücü uyum dalgaları tarlalar ve ormanlar arasında dalgalanır. Ateşböceklerinin ışığı, insanları cezbeden eşleri ve insan kalabalığını gösteriyor, ancak aynı zamanda, çok basit bireysel parçalardan bile ayrıntılı koordinasyonun ortaya çıktığı simya olan senkronizasyonu açıklamaya yönelik en temel girişimlerin bazılarının kıvılcımlanmasına da yardımcı oldular.
Orit Peleg Fizik ve bilgisayar bilimi okuyan bir lisans öğrencisiyken eşzamanlı ateşböceklerinin gizemiyle ilk karşılaştığı zamanı hatırlıyor. Ateşböcekleri, basit sistemlerin eşzamanlılığı nasıl başardığının bir örneği olarak sunuldu. Doğrusal Olmayan Dinamikler ve Kaos, matematikçi tarafından bir ders kitabı Steven Strogatz sınıfının kullandığını söyledi. Peleg, büyüdüğü İsrail'de nadir görülen bir ateş böceği bile görmemişti.
“O kadar güzel ki, bir şekilde uzun yıllar kafamda kaldı” dedi. Ancak Peleg, Colorado Üniversitesi'nde ve Santa Fe Enstitüsü'nde biyolojiye hesaplamalı yaklaşımlar uygulayarak kendi laboratuvarına başladığında, ateşböceklerinin birçok matematiğe ilham vermesine rağmen, böceklerin gerçekte ne yaptığını açıklayan nicel verilerin yetersiz.
Bunu düzeltmek için yola çıktı. Son iki yılda, Peleg'in grubundan bir dizi makale, birden fazla çalışma sahasında ve önceki modelleyiciler veya biyologların başardığından çok daha yüksek bir çözünürlükte, birden fazla ateş böceği türündeki eşzamanlılık hakkında gerçek dünya verilerinin bir yangın hortumunu açtı. Matematiksel biyolog, "oldukça şaşırtıcı" Ozan Ermentrout Pittsburgh Üniversitesi'nde ekibin sonuçlarını şöyle açıkladı: Kuantum. "Ben bayıldım" dedi Andrew Moiseff, Connecticut Üniversitesi'nde bir biyolog.
Bu makaleler, gerçek ateş böceği sürülerinin, onlarca yıldır dergilerde ve ders kitaplarında dolaşan matematiksel idealleştirmelerden ayrıldığını ortaya koyuyor. Örneğin, ateş böceği senkronizasyonu için şimdiye kadar yapılmış hemen hemen her model, her ateş böceğinin kendi dahili metronomunu koruduğunu varsayar. Peleg'in grubunun hazırladığı bir ön baskı Mart'ta gönderildiBununla birlikte, en az bir türde, bireysel ateşböceklerinin içsel bir ritmi olmadığını gösterdi ve kolektif bir vuruşun yalnızca bir araya toplanmış birçok yıldırım böceğinin ürkütücü sinerjisinden ortaya çıktığını öne sürdü. Bir hatta daha yeni ön baskı, ilk olarak Mayıs ayında yüklendi ve geçen hafta güncellendi, bir nadir senkronizasyon türü matematikçilerin kimera durumu dedikleri, neredeyse hiç gözlemlenmedi yapmacık deneylerin dışında gerçek dünyada.
Ateşböceği biyologları, yeni yöntemlerin ateşböceklerinin bilimini ve korunmasını yeniden şekillendireceğini umuyor. Bu arada, Strogatz'ın ders kitabında tanımladığı gibi eşzamanlılık teorileri geliştiren matematikçiler, dağınık gerçek dünya eşzamanlayıcılarından çok fazla deneysel geri bildirim almadan uzun süredir modelleri büküyorlar. Cornell Üniversitesi'nde matematik profesörü olan Strogatz, “Bu büyük atılım” dedi. "Artık döngüyü kapatmaya başlayabiliriz."
Eşzamanlılığın Zor Kanıtı
Güneydoğu Asya'da hep bir ağızdan alev alev yanan ateşböceklerinin raporları, yüzyıllardır Batı'nın bilimsel söylemine geri süzüldü. denilen binlerce ateş böceği kelip-kelip Malezya'da - isimleri parıldamalarından dolayı bir tür görsel yansımadır - nehir kenarındaki ağaçlara yerleşebilir. Tayland'ı gezen bir İngiliz diplomat, "Işıkları parlıyor ve ortak bir sempatiyle sönüyor" 1857'te yazdı. "Bir anda her yaprak ve dal elmas gibi ateşle süslenmiş görünür."
Herkes bu raporları kabul etmedi. Dergiye bir mektupta, "Böcekler arasında böyle bir şeyin olması kesinlikle tüm doğa yasalarına aykırıdır" Bilim 1917'de, görünen etkinin bunun yerine izleyicinin istemsiz göz kırpmasından kaynaklandığını öne sürerek şikayet etti. Ancak 1960'lara gelindiğinde, ziyarete gelen ateş böceği araştırmacıları, mangrov bataklıklarındaki yerel kayıkçıların uzun süredir bildiklerini nicel analiz yoluyla doğruladılar.
Benzer bir senaryo 1990'larda Tennessee'li bir doğa bilimcinin Lynn Faust adlı bir bilim insanının kendinden emin yayınlanmış iddiasını okuyun Jon Copeland Kuzey Amerika'da eş zamanlı ateşböcekleri olmadığını söyledi. Faus, o zaman, yakınlardaki ormanda onlarca yıldır izlediği şeyin dikkate değer bir şey olduğunu biliyordu.
Faust, Copeland ve işbirlikçisi Moiseff'i Büyük Smoky Dağları'nda adı verilen bir türü görmeye davet etti. Photinus carolinus. Erkek ateşböceklerinin bulutları, yaklaşık insan yüksekliğinde yüzen ormanları ve açıklıkları doldurur. Bu ateşböcekleri, sıkı bir koordinasyon içinde yanıp sönmek yerine, birkaç saniye içinde hızlı flaş patlamaları yayar, ardından başka bir patlamayı kaybetmeden önce birkaç kez sessizleşir. (Ünlülerin düzenli aralıklarla görünmesini bekleyen, her görünümde bir fotoğraf salvosu çeken ve ardından çalışmama süresinde başparmaklarını çeviren bir paparazzi kalabalığını hayal edin.)
Copeland ve Moiseff'in deneyleri, izole edilmiş P. carolinus ateşböcekleri, yakındaki bir kavanozda komşu bir ateş böceği veya yanıp sönen bir LED ile gerçekten yanıp sönmeye çalıştı. Ekip ayrıca flaşları kaydetmek için tarlaların ve orman açıklıklarının kenarlarına yüksek hassasiyetli video kameralar kurdu. Copeland, her an kaç tane ateş böceğinin aydınlandığını sayarak görüntüleri kare kare inceledi. Özenle toplanmış bu verilerin istatistiksel analizi, bir sahnede kameraların görüş alanı içindeki tüm ateşböceklerinin gerçekten düzenli, ilişkili aralıklarla flaş patlamaları yaydığını kanıtladı.
Yirmi yıl sonra, Peleg ve doktora sonrası fizikçi Rafael Sarfati, ateşböceği verilerini toplamak için yola çıktı, daha iyi teknoloji mevcuttu. Birkaç metre arayla yerleştirilmiş iki GoPro kameradan oluşan bir sistem tasarladılar. Kameralar 360 derecelik video çektiği için, bir ateş böceği sürüsünün dinamiklerini sadece yandan değil, içeriden de yakalayabiliyorlardı. Sarfati, flaşları elle saymak yerine, her iki kamera tarafından yakalanan ateş böceği flaşları üzerinde üçgen oluşturabilen ve daha sonra her göz kırpmanın ne zaman gerçekleştiğini değil, üç boyutlu uzayda nerede gerçekleştiğini kaydedebilen işleme algoritmaları geliştirdi.
Sarfati, bu sistemi ilk olarak Haziran 2019'da Tennessee'de sahaya çıkardı. P. carolinus Faust'un meşhur ettiği ateşböcekleri. Gösteriyi ilk kez kendi gözleriyle görüyordu. Asya'dan gelen ateş böceği senkronizasyonunun sıkı sahneleri gibi bir şey hayal etmişti, ancak Tennessee patlamaları daha karışıktı, yaklaşık her 12 saniyede bir tekrarlanan yaklaşık dört saniye boyunca sekiz adede kadar hızlı flaş patlaması vardı. Yine de bu dağınıklık heyecan vericiydi: Bir fizikçi olarak, vahşi dalgalanmalara sahip bir sistemin, mükemmel davranan bir sistemden çok daha bilgilendirici olabileceğini hissetti. “Karmaşıktı, bir anlamda kafa karıştırıcıydı ama aynı zamanda güzeldi” dedi.
Rastgele ama Sempatik Flaşörler
Peleg, lisans eğitiminde ateşböceklerini senkronize ederken onları anlamayı önce Japon fizikçi tarafından önerilen bir model aracılığıyla öğrendi. Yoshiki Kuramoto. Bu, eşzamanlılığın ur-modelidir, insan kalbindeki kalp pili hücre gruplarından alternatif akımlara kadar her şeyde eşzamanlılığın nasıl ortaya çıkabileceğini açıklayan matematiksel şemaların büyükbabasıdır.
En temel olarak, senkron sistem modellerinin iki süreci tanımlaması gerekir. Biri, izole edilmiş bir bireyin iç dinamikleridir - bu durumda, ne zaman yanıp söneceğini belirleyen fizyolojik veya davranışsal bir kural tarafından yönetilen bir kavanozda yalnız bir ateş böceği. İkincisi, matematikçilerin eşleşme dediği şey, bir ateş böceğinin parlamasının komşularını etkileme şeklidir. Bu iki parçanın tesadüfi kombinasyonları ile, farklı ajanlardan oluşan bir kakofoni, kendisini hızlı bir şekilde temiz bir koroya çekebilir.
Kuramotovari bir tanımlamada, her bir ateş böceği, içsel olarak tercih edilen bir ritmi olan bir osilatör olarak ele alınır. Ateşböceklerini, içlerinde sürekli sallanan gizli bir sarkacın olduğu gibi hayal edin; sarkacı yayının altından her geçtiğinde bir böceğin yanıp söndüğünü hayal edin. Ayrıca, komşu bir flaşı görmenin bir ateşböceğinin hız ayarlayıcı sarkacını biraz ileri veya geri çektiğini varsayalım. Ateşböcekleri birbiriyle uyumsuz başlasa veya tercih edilen iç ritimleri bireysel olarak değişse bile, bu kurallara göre yönetilen bir topluluk genellikle koordineli bir flaş paterni üzerinde birleşir.
Bu genel şemada yıllar içinde her biri iç dinamiklerin ve eşleşmenin kurallarını değiştiren çeşitli varyasyonlar ortaya çıktı. 1990 yılında Strogatz ve meslektaşı rennie mirollo Boston College'ın araştırmaları, çok basit bir ateşböceği benzeri osilatör setinin, aralarında kaç kişi olursa olsun, onları birbirine bağladığınızda neredeyse her zaman senkronize olacağını kanıtladı. Ertesi yıl Ermentrout, Pteroptyx malakkae Güneydoğu Asya'daki ateşböcekleri, iç frekanslarını hızlandırarak veya yavaşlatarak senkronize olabilir. 2018 gibi yakın bir tarihte, liderliğindeki bir grup Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila Bolivya'daki San Andrés Yüksek Üniversitesinden, ateşböceklerinin "şarj" durumu ile "boşaltma" durumu arasında gidip geldikleri daha karmaşık bir şema tasarladı.
Ama Peleg ve Sarfati'nin kameraları patlama-sonra-beklemeden üç boyutlu veri yakalamaya başladığında Photinus carolinus 2019'da Great Smokies'teki ateşböcekleri, analizleri yeni desenler ortaya çıkardı.
Biri, Faust ve diğer ateş böceği doğa bilimcilerinin uzun zamandır bildirdiği bir şeyin teyidiydi: Bir şimşek patlaması genellikle bir yerde başlar ve ardından saniyede yaklaşık yarım metre hızla ormanın içinden geçerdi. Bulaşıcı dalgalanmalar, ateşböceklerinin çiftleşmesinin ne küresel (tüm sürü birbirine bağlıyken) ne de tamamen yerel (her ateş böceğinin yalnızca yakın komşuları önemsediği) olduğunu gösteriyordu. Bunun yerine, ateşböcekleri, diğer ateşböceklerine bir dizi mesafe ölçeğinde dikkat ediyor gibiydi. Sarfati, bunun nedeni ateşböceklerinin yalnızca kesintisiz bir görüş hattı içinde meydana gelen flaşları görebildiklerini söyledi; ormanlarda, bitki örtüsü çoğu zaman araya girer.
Gerçek ateşböcekleri, her bireye periyodik olarak davranan Kuramoto aromalı modellerin temel önermesini de hiçe sayıyor gibi görünüyor. Peleg ve Sarfati bir single yayınladıklarında P. carolinus ateş böceği bir çadırda, herhangi bir katı ritmi takip etmek yerine rastgele flaş patlamaları yaydı. Bazen sadece birkaç saniye, bazen de birkaç dakika bekledi. Strogatz, "Bu, sizi zaten mevcut tüm modellerin evreninin dışına çıkarıyor" dedi.
Ancak ekip 15 ya da daha fazla ateş böceği attığında, çadırın tamamı yaklaşık bir düzine saniye aralıklarla toplu flaş patlamalarıyla aydınlandı. Eşzamanlılık ve grup periyodikliği, tamamen birlikte takılan ateşböceklerinin ortaya çıkan ürünleriydi. İçinde taslak kağıt geçen baharda biorxiv.org ön baskı sunucusuna yüklenen Peleg grubu, fizikçiyle birlikte çalışıyor. Srividya Iyer-Biswas Purdue Üniversitesi ve Santa Fe Enstitüsü'nden araştırmacılar bunun nasıl olabileceğine dair yepyeni bir model önerdi.
Az önce parlamalar yayan izole bir ateş böceği hayal edin ve aşağıdaki kuralları göz önünde bulundurun. Şimdi ayırırsanız, tekrar yanıp sönmeden önce rastgele bir süre bekleyecektir. Bununla birlikte, böceğin ışık organlarını yeniden şarj etmesi için ihtiyaç duyduğu minimum bir bekleme süresi vardır. Bu ateş böceği aynı zamanda akran baskısına da duyarlıdır: Başka bir ateş böceğinin yanıp sönmeye başladığını görürse, fiziksel olarak yapabildiği sürece o da yanıp sönecektir.
Şimdi, bir patlamanın hemen ardından sessiz karanlıkta koca bir ateşböcekleri tarlasını hayal edin. Her biri, şarj süresinden daha uzun rastgele bir bekleme süresi seçer. Ancak önce kim parlarsa, diğerlerine hemen atlamak için ilham verir. Tüm bu süreç, alan her karardığında tekrar eder. Ateşböceklerinin sayısı arttıkça, en az birinin biyolojik olarak mümkün olan en kısa sürede rasgele tekrar flaş yapmayı seçmesi ve bu da geri kalanını tetikleyecektir. Sonuç olarak, patlamalar arasındaki süre minimum bekleme süresine doğru kısalır. Bu sahneye aval aval bakan herhangi bir bilim adamı, ışığın karanlığa doğru yuvarlandığı ve ardından karanlığın ışıkla patladığı sabit bir grup ritmine benzeyen şeyi görecektir.
A ikinci ön baskı Peleg grubundan başka bir egzotik desen ortaya çıkardı. Güney Carolina'daki Congaree Ulusal Parkı'nda Peleg, ekibi ekipmanlarını senkronize ateş böceği üzerinde eğitirken garip bir şey fark etti. Photuris frontalis. "Gözümün ucuyla, bu küçük ateş böceğinin gerçekten de yenilenmeyen bir şey olduğunu gördüğümü hatırlıyorum. Ama yine de dakik" dedi.
Takımın analizi, ateşböceklerinin ana korosunun ritimle parlarken, inatçı aykırıların birlikte oynamayı reddettiğini gösterdi. Aynı mekanı paylaştılar ve kendi dönemleriyle parladılar, ancak çevredeki senfoni ile faz dışıydılar. Bazen aykırı değerler birbiriyle senkronize gibi görünüyordu; bazen sadece eşzamansız olarak yanıp söndüler. Peleg'in grubu bunu bir kimera hali, ilk olarak 2001'de Kuramoto tarafından not edilen ve Strogatz ve matematikçi tarafından keşfedilen bir eşzamanlılık biçimi olarak tanımlıyor. Daniel Abrams Northwestern Üniversitesi'nden 2004 yılında matematiksel olarak idealleştirilmiş bir biçimde. Bir kaç sinirbilimcilerden gelen raporlar Bazı deneysel koşullar altında beyin hücrelerinin aktivitesinde bu tür bir kimera senkronizasyonu gördüğünü iddia ediyor, ancak şimdiye kadar doğada başka türlü gözlemlenmedi.
Doğanın neden daha tekdüze bir eşzamanlama yerine bu karmakarışık senkronizasyon durumunun evrimini tercih ettiği henüz belli değil. Ancak temel eşzamanlılık bile her zaman evrimsel bir gizem oluşturmuştur: Birbirine karışmak, herhangi bir erkeğin potansiyel bir eş karşısında öne çıkmasına nasıl yardımcı olur? Peleg, sadece erkeklerin değil, dişi ateşböceklerinin davranış kalıplarına bakan çalışmaların bilgilendirici olabileceğini öne sürdü. Grubu ile bunu yapmaya başladı. P. carolinus ateşböcekleri ama henüz kimera eğilimli değil P. frontalis türler.
Yıldırım-Böceği Bilgisayar Bilimi
Modelciler için şimdi, gözlemlenen ateş böceği modellerini yeni ve geliştirilmiş çerçevelere yerleştirme yarışı başladı. Ermentrout'un incelenmekte olan ve farklı bir matematiksel açıklama sunan bir makalesi var. Photinus carolinus: Farz edelim ki, yeniden şarj etmek için zorunlu minimum sürenin ötesinde tamamen rastgele bir süre beklemek yerine, böcekler sadece gürültülü, düzensiz osilatörler mi? Ateşböcekleri ancak bir araya geldiklerinde düzenli aralıklarla yanıp sönen ışıklar gibi davranmaya başlayabilirler. Bilgisayar simülasyonlarında bu model aynı zamanda Peleg grubunun verileriyle de eşleşiyor. Ermentrout, "Programlamamış olsak da, dalgalar gibi şeyler ortaya çıkıyor" dedi.
Biyologlar, Peleg ve Sarfati'nin ucuz kamera ve algoritma sisteminin ateşböceği araştırmalarını ilerletmeye ve demokratikleştirmeye büyük ölçüde yardımcı olabileceğini söylüyor. Ateşböceklerini vahşi doğada incelemek zordur, çünkü türleri parlamalarıyla ayırt etmek, kendini işine adamış araştırmacılar ve tutkulu hobiciler dışında herkes için zordur. Bu, birçok yıldırım böceği türünün yok olma yolunda olduğuna dair korkular artarken bile ateş böceği popülasyonlarının çeşitliliğini ve bolluğunu ölçmeyi zorlaştırıyor. Yeni kurulum, ateşböceği yanıp sönen verileri toplamayı, analiz etmeyi ve paylaşmayı kolaylaştırabilir.
2021'de Sarfati, Arizona'dan yerel türlerin Photinus knulli yeterince ateş böceği bir araya geldiğinde senkronize olabilir. Bu yıl Peleg'in laboratuvarı, kamera sisteminin 10 kopyasını ABD'nin dört bir yanındaki ateşböceği araştırmacılarına gönderdi. Peleg laboratuvarındaki bir grup makine öğrenimi araştırmacısı, koruma çabalarını artırmaya yönelik bir bakış açısıyla, kaydedilen görüntülerdeki flaş modellerinden türleri tanımlamak için bir algoritma eğitmeye çalışıyor.
Ateşböceklerinin karikatürümsü modelleri onlarca yıldır matematik teorisine ilham kaynağı oldu; Peleg, şimdi ortaya çıkan daha incelikli gerçeklerin benzer şekilde sonuç doğuracağını umuyor.
Moiseff bu umudu paylaşıyor. Ateşböcekleri "biz var olmadan çok önce bilgisayar bilimi yapıyorlardı" dedi. Nasıl senkronize olduklarını öğrenmek, diğer canlılarda da kendi kendini organize eden davranışların daha iyi anlaşılmasına yol açabilir.
Editörün notu: Ev sahibi Steven Strogatz Kuantum'S Neden Sevinci podcast ve üye Kuantumdanışma kurulu.
