Trong truyền thống dân gian Nhật Bản, chúng tượng trưng cho những linh hồn đã khuất hoặc tình yêu thầm lặng, nồng nàn. Một số nền văn hóa bản địa ở vùng Andes của Peru coi chúng là đôi mắt của ma. Và trong nhiều nền văn hóa phương Tây khác nhau, đom đóm, đom đóm và các loài bọ cánh cứng phát quang sinh học khác đã được liên kết với một loạt các liên tưởng ẩn dụ rực rỡ và đôi khi trái ngược nhau: “thời thơ ấu, vụ mùa, sự diệt vong, yêu tinh, nỗi sợ hãi, thay đổi môi trường sống, câu thành ngữ, tình yêu, may mắn, tử vong, mại dâm, đông chí, các vì sao và sự thoáng qua của ngôn từ và nhận thức,” như một đánh giá năm 2016 đã lưu ý.
Các nhà vật lý tôn sùng đom đóm vì những lý do có vẻ hơi thần bí: Trong số khoảng 2,200 loài sống rải rác trên khắp thế giới, một số ít có khả năng phát sáng đồng bộ. Ở Malaysia và Thái Lan, những cây ngập mặn có đom đóm có thể nhấp nháy theo nhịp như thể được xâu bằng đèn Giáng sinh; mỗi mùa hè ở Appalachia, những làn sóng phù hợp kỳ lạ gợn sóng khắp các cánh đồng và khu rừng. Ánh sáng của đom đóm thu hút bạn tình và đám đông người xem, nhưng chúng cũng giúp châm ngòi cho một số nỗ lực cơ bản nhất để giải thích sự đồng bộ hóa, thuật giả kim theo đó sự phối hợp phức tạp xuất hiện từ những bộ phận riêng lẻ rất đơn giản.
Orit Peleg nhớ lại lần đầu tiên cô bắt gặp bí ẩn về đom đóm đồng bộ khi còn là sinh viên đại học ngành vật lý và khoa học máy tính. Đom đóm được trình bày như một ví dụ về cách các hệ thống đơn giản đạt được sự đồng bộ trong Động lực học phi tuyến tính và sự hỗn loạn, sách giáo khoa của nhà toán học Steven Strogatz mà lớp cô đang sử dụng. Peleg thậm chí chưa bao giờ nhìn thấy một con đom đóm, vì chúng không phổ biến ở Israel, nơi cô lớn lên.
Cô ấy nói: “Nó đẹp đến nỗi bằng cách nào đó nó đã in sâu trong tâm trí tôi trong rất nhiều năm. Nhưng vào thời điểm Peleg bắt đầu phòng thí nghiệm của riêng mình, áp dụng các phương pháp tính toán cho sinh học tại Đại học Colorado và tại Viện Santa Fe, cô đã biết rằng mặc dù đom đóm đã truyền cảm hứng cho rất nhiều môn toán, nhưng dữ liệu định lượng mô tả những gì loài côn trùng này thực sự làm là ít ỏi.
Cô đặt ra để khắc phục điều đó. Trong hai năm qua, một loạt bài báo từ nhóm của Peleg đã mở ra một vòi dữ liệu trong thế giới thực về sự đồng bộ ở nhiều loài đom đóm tại nhiều địa điểm nghiên cứu và ở độ phân giải cao hơn nhiều so với những gì các nhà mô hình hóa hoặc nhà sinh vật học trước đây đã quản lý. “Khá kinh ngạc” là cách mà nhà sinh học toán học Bard Ermentrout tại Đại học Pittsburgh đã mô tả kết quả của nhóm Quanta. “Tôi đã bị thổi bay,” nói Andrew Moiseff, một nhà sinh vật học tại Đại học Connecticut.
Những bài báo này chứng minh rằng bầy đom đóm thực sự xuất phát từ những lý tưởng hóa toán học lướt qua các tạp chí và sách giáo khoa trong nhiều thập kỷ. Ví dụ, gần như mọi mô hình cho sự đồng bộ của đom đóm từng được tạo ra đều giả định rằng mỗi con đom đóm duy trì nhịp bên trong của chính nó. Một bản in trước mà nhóm của Peleg đăng vào tháng batuy nhiên, nghiên cứu đã chỉ ra rằng ở ít nhất một loài, những con đom đóm riêng lẻ không có nhịp điệu nội tại và nó cho rằng nhịp đập tập thể chỉ xuất hiện từ sức mạnh tổng hợp ma quái của nhiều con đom đóm tập hợp lại với nhau. MỘT bản in trước thậm chí còn mới hơn, được tải lên lần đầu vào tháng XNUMX và được cập nhật vào tuần trước, ghi lại một loại đồng bộ hiếm mà các nhà toán học gọi là trạng thái chimera, có hầu như không bao giờ được quan sát trong thế giới thực bên ngoài các thí nghiệm giả tạo.
Các nhà sinh học đom đóm hy vọng các phương pháp mới sẽ định hình lại ngành khoa học và bảo tồn đom đóm. Trong khi đó, các nhà toán học tạo ra các lý thuyết về sự đồng bộ hóa giống như những lý thuyết mà Strogatz đã mô tả trong sách giáo khoa của ông, từ lâu đã tạo ra các mô hình mà không có nhiều phản hồi thử nghiệm từ các bộ đồng bộ hóa lộn xộn trong thế giới thực. Strogatz, giáo sư toán học tại Đại học Cornell, cho biết: “Đó là bước đột phá lớn. “Bây giờ chúng ta có thể bắt đầu đóng vòng lặp.”
Bằng chứng khó nắm bắt về sự đồng bộ
Các báo cáo về những con đom đóm đồng loạt phát sáng ở Đông Nam Á đã được lọc lại trong các diễn ngôn khoa học phương Tây trong nhiều thế kỷ. Hàng ngàn con đom đóm, được gọi là kelip-kelip ở Malaysia - tên của chúng là một loại từ tượng thanh trực quan cho sự lấp lánh của chúng - có thể định cư trên những tán cây ven sông. “Ánh sáng của họ bừng sáng và bị dập tắt bởi sự đồng cảm chung,” một nhà ngoại giao Anh công du Thái Lan đã viết trong 1857. “Tại một thời điểm, mọi chiếc lá và cành cây đều xuất hiện được trang trí bằng ngọn lửa giống như kim cương.”
Không phải ai cũng chấp nhận những báo cáo này. Một lá thư gửi cho tạp chí cho biết: “Việc như vậy xảy ra giữa các loài côn trùng chắc chắn là trái với mọi quy luật tự nhiên”. Khoa học phàn nàn vào năm 1917, lập luận rằng hiệu ứng rõ ràng thay vào đó là do người xem chớp mắt không chủ ý. Tuy nhiên, vào những năm 1960, các nhà nghiên cứu đom đóm đến thăm đã xác nhận thông qua phân tích định lượng những gì mà những người chèo thuyền địa phương ở đầm lầy ngập mặn đã biết từ lâu.
Một kịch bản tương tự đã diễn ra vào những năm 1990, khi một nhà tự nhiên học ở Tennessee tên là Lynn Faust đọc khẳng định tự tin được công bố của một nhà khoa học tên là Jon Copeland rằng không có đom đóm đồng bộ ở Bắc Mỹ. Khi đó Faust biết rằng thứ mà cô đã theo dõi hàng chục năm trong khu rừng gần đó là một điều gì đó đáng chú ý.
Faust đã mời Copeland và Moiseff, cộng tác viên của ông, đi xem một loài ở Dãy núi Great Smoky có tên là Photolin carolinus. Những đám đom đóm đực lấp đầy các khu rừng và khoảng đất trống, lơ lửng ở độ cao ngang người. Thay vì chớp mắt phối hợp chặt chẽ, những con đom đóm này phát ra một loạt chớp nhanh trong vòng vài giây, sau đó im lặng trong vài lần trước khi mất đi một đợt bùng phát khác. (Hãy tưởng tượng một đám đông các tay săn ảnh chờ đợi những người nổi tiếng xuất hiện đều đặn, chụp một loạt ảnh sau mỗi lần xuất hiện và sau đó xoay ngón tay cái của họ trong thời gian chết.)
Các thí nghiệm của Copeland và Moiseff cho thấy rằng P. carolinus những con đom đóm thực sự đã cố gắng nhấp nháy theo nhịp với một con đom đóm bên cạnh - hoặc đèn LED nhấp nháy - trong một cái lọ gần đó. Nhóm nghiên cứu cũng thiết lập các máy quay video có độ nhạy cao ở rìa cánh đồng và khu vực rừng thưa để ghi lại các tia chớp. Copeland xem qua từng khung hình, đếm xem có bao nhiêu con đom đóm được chiếu sáng tại mỗi thời điểm. Phân tích thống kê về dữ liệu được thu thập cẩn thận này đã chứng minh rằng tất cả đom đóm trong tầm nhìn của máy ảnh tại một hiện trường thực sự phát ra các vụ nổ flash đều đặn, tương quan với nhau.
Hai thập kỷ sau, khi Peleg và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của cô ấy, nhà vật lý Raphaël Sarfati, bắt đầu thu thập dữ liệu đom đóm, công nghệ tốt hơn đã có sẵn. Họ đã thiết kế một hệ thống hai camera GoPro đặt cách nhau vài bước chân. Vì máy ảnh quay video 360 độ nên chúng có thể ghi lại chuyển động của đàn đom đóm từ bên trong chứ không chỉ từ bên cạnh. Thay vì đếm số lần nhấp nháy bằng tay, Sarfati đã nghĩ ra các thuật toán xử lý có thể lập tam giác trên các lần nhấp nháy của đom đóm được cả hai máy ảnh bắt được và sau đó ghi lại không chỉ thời điểm mỗi lần nhấp nháy xảy ra mà cả vị trí nó xảy ra trong không gian ba chiều.
Sarfati lần đầu tiên đưa hệ thống này vào lĩnh vực này ở Tennessee vào tháng 2019 năm XNUMX cho P. carolinus đom đóm mà Faust đã làm nổi tiếng. Đây là lần đầu tiên anh tận mắt chứng kiến cảnh tượng đó. Anh ấy đã tưởng tượng ra thứ gì đó giống như những cảnh đồng bộ chặt chẽ của đom đóm từ châu Á, nhưng các vụ nổ ở Tennessee lộn xộn hơn, với các vụ nổ lên tới tám tia chớp nhanh trong khoảng bốn giây lặp lại khoảng 12 giây một lần. Tuy nhiên, sự lộn xộn đó thật thú vị: Là một nhà vật lý, ông cảm thấy rằng một hệ thống với những dao động mạnh có thể chứng minh nhiều thông tin hơn một hệ thống hoạt động hoàn hảo. “Nó phức tạp, khó hiểu theo một nghĩa nào đó, nhưng cũng rất đẹp,” anh nói.
Flashers ngẫu nhiên nhưng thông cảm
Trong buổi học đại học của mình với việc đồng bộ hóa đom đóm, Peleg lần đầu tiên học cách hiểu chúng thông qua một mô hình do nhà vật lý Nhật Bản đề xuất Yoshiki Kuramoto. Đây là mô hình của sự đồng bộ hóa, ông tổ của các sơ đồ toán học giải thích cách thức sự đồng bộ hóa có thể phát sinh, thường là không thể tránh khỏi, trong bất kỳ thứ gì, từ các nhóm tế bào điều hòa nhịp tim trong tim người cho đến các dòng điện xoay chiều.
Ở mức cơ bản nhất, các mô hình của hệ thống đồng bộ cần mô tả hai quá trình. Một là động lực bên trong của một cá nhân bị cô lập — trong trường hợp này là một con đom đóm đơn độc trong lọ, bị chi phối bởi một quy luật sinh lý hoặc hành vi xác định thời điểm nó lóe sáng. Thứ hai là cái mà các nhà toán học gọi là sự liên kết, cách ánh sáng của một con đom đóm ảnh hưởng đến những con lân cận của nó. Với sự kết hợp ngẫu nhiên của hai phần này, một dàn hợp xướng của các tác nhân khác nhau có thể nhanh chóng hòa vào một bản hợp xướng gọn gàng.
Theo cách mô tả của Kuramoto-esque, mỗi con đom đóm riêng lẻ được coi như một bộ tạo dao động với nhịp điệu ưa thích nội tại. Hình dung những con đom đóm như có một con lắc ẩn đang đung đưa đều đặn bên trong chúng; hãy tưởng tượng một con bọ lóe lên mỗi khi con lắc của nó quét qua phần dưới cùng của vòng cung. Cũng giả sử rằng việc nhìn thấy một tia sáng lân cận sẽ kéo con lắc điều chỉnh tốc độ của con đom đóm về phía trước hoặc phía sau một chút. Ngay cả khi những con đom đóm bắt đầu không đồng bộ với nhau hoặc nhịp điệu bên trong ưa thích của chúng thay đổi riêng lẻ, thì một tập thể được điều chỉnh bởi các quy tắc này sẽ thường hội tụ trên một mẫu đèn flash phối hợp.
Một số biến thể của sơ đồ chung này đã xuất hiện trong nhiều năm, mỗi biến thể điều chỉnh các quy tắc của động lực học bên trong và khớp nối. Năm 1990, Strogatz và cộng sự Rennie Mirollo của Đại học Boston đã chứng minh rằng một tập hợp rất đơn giản các bộ dao động giống đom đóm hầu như sẽ luôn đồng bộ hóa nếu bạn kết nối chúng với nhau, bất kể bạn bao gồm bao nhiêu cá thể. Năm tiếp theo, Ermentrout đã mô tả cách các nhóm pteroptyx malaccae đom đóm ở Đông Nam Á có thể đồng bộ hóa bằng cách tăng tốc hoặc giảm tần số bên trong của chúng. Gần đây nhất là năm 2018, một nhóm do Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila của Đại học San Andrés ở Bolivia đã nghĩ ra một kế hoạch phức tạp hơn, trong đó đom đóm chuyển đổi qua lại giữa trạng thái “sạc” và trạng thái “xả” trong thời gian chúng nhấp nháy.
Nhưng khi máy ảnh của Peleg và Sarfati bắt đầu chụp dữ liệu ba chiều từ vụ nổ thì hãy đợi Photolin carolinus đom đóm trong Great Smokies vào năm 2019, các phân tích của họ đã tiết lộ các mẫu mới.
Một là sự xác nhận của một điều mà Faust và các nhà tự nhiên đom đóm khác đã báo cáo từ lâu: Một loạt các tia sáng thường bắt đầu ở một nơi và sau đó đổ xuống khu rừng với tốc độ khoảng nửa mét mỗi giây. Những gợn sóng lan truyền gợi ý rằng sự kết đôi của đom đóm không mang tính toàn cầu (với toàn bộ bầy được kết nối với nhau) cũng không thuần túy cục bộ (với mỗi con đom đóm chỉ quan tâm đến những người hàng xóm gần gũi). Thay vào đó, những con đom đóm dường như chú ý đến những con đom đóm khác ở nhiều mức độ khác nhau. Sarfati cho biết, điều này có thể là do đom đóm chỉ có thể nhìn thấy những tia sáng xuất hiện trong tầm nhìn không bị gián đoạn; trong rừng, thảm thực vật thường cản trở.
Những con đom đóm thực sự dường như cũng coi thường tiền đề cốt lõi của các mô hình có hương vị Kuramoto, coi mỗi cá nhân là định kỳ. Khi Peleg và Sarfati phát hành đĩa đơn P. carolinus đom đóm trong lều, nó phát ra những chùm tia sáng ngẫu nhiên thay vì theo bất kỳ nhịp điệu nghiêm ngặt nào. Đôi khi nó chỉ đợi vài giây, lần khác là vài phút. Strogatz nói: “Điều đó đã đưa bạn ra khỏi vũ trụ của tất cả các mô hình hiện có.
Nhưng một khi đội ném vào 15 con đom đóm trở lên, toàn bộ lều sẽ sáng lên với những vụ nổ flash tập thể cách nhau khoảng chục giây. Tính đồng bộ và tính chu kỳ của nhóm hoàn toàn là sản phẩm nổi lên của những con đom đóm đi chơi cùng nhau. TRONG một tờ giấy nháp được tải lên máy chủ in sẵn biorxiv.org vào mùa xuân năm ngoái, nhóm Peleg, làm việc với nhà vật lý Srividya Iyer-Biswas của Đại học Purdue và Viện Santa Fe, đã đề xuất một mô hình hoàn toàn mới về cách điều này có thể xảy ra.
Hãy tưởng tượng một con đom đóm bị cô lập vừa phát ra một loạt ánh sáng nhấp nháy và xem xét các quy tắc sau. Nếu bạn cô lập nó ngay bây giờ, nó sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi nhấp nháy lại. Tuy nhiên, có một thời gian chờ đợi tối thiểu mà côn trùng cần để nạp năng lượng cho các cơ quan ánh sáng của nó. Con đom đóm này cũng dễ bị áp lực từ bạn bè: Nếu nó thấy một con đom đóm khác bắt đầu nhấp nháy, nó cũng sẽ nhấp nháy, miễn là nó có thể.
Bây giờ hãy tưởng tượng cả một cánh đồng đom đóm trong bóng tối yên tĩnh ngay sau khi bùng nổ. Mỗi người chọn một thời gian chờ ngẫu nhiên lâu hơn thời gian tính phí. Tuy nhiên, bất cứ ai lóe lên trước sẽ truyền cảm hứng cho tất cả những người khác nhảy vào ngay lập tức. Toàn bộ quá trình này lặp lại mỗi khi trường tối đi. Khi số lượng đom đóm tăng lên, ngày càng có nhiều khả năng ít nhất một con sẽ chọn ngẫu nhiên nhấp nháy lại ngay khi có thể về mặt sinh học và điều đó sẽ kích hoạt phần còn lại. Kết quả là thời gian giữa các đợt rút ngắn về thời gian chờ tối thiểu. Bất kỳ nhà khoa học nào trố mắt nhìn cảnh tượng này sẽ thấy thứ trông giống như một nhóm ánh sáng đều đặn đi vào bóng tối, và sau đó bóng tối tràn ra ánh sáng.
A bản in thứ hai từ nhóm Peleg đã khai quật được một mô hình kỳ lạ khác. Tại Công viên quốc gia Congaree ở Nam Carolina, Peleg nhận thấy điều kỳ lạ khi nhóm của cô đào tạo thiết bị của họ trên con đom đóm đồng bộ hóa Photuris trán. “Tôi nhớ mình đã liếc nhìn qua khóe mắt rằng có một con đom đóm nhỏ thực sự không theo nhịp. Nhưng anh ấy vẫn đúng giờ,” cô nói.
Phân tích của nhóm cho thấy rằng trong khi dàn hợp xướng chính của đom đóm nhấp nháy theo nhịp điệu, thì những kẻ ngoại lai bướng bỉnh lại không chịu chơi theo. Chúng chia sẻ cùng một không gian và vụt sáng theo thời kỳ của chúng, nhưng lại lệch pha với bản giao hưởng chung quanh. Đôi khi các ngoại lệ dường như đồng bộ hóa với nhau; đôi khi chúng chỉ nhấp nháy không đồng bộ. Nhóm của Peleg mô tả đây là trạng thái chimera, một dạng đồng bộ được Kuramoto ghi nhận lần đầu tiên vào năm 2001 và được khám phá bởi Strogatz và nhà toán học Daniel Abrams của Đại học Northwestern năm 2004 dưới dạng lý tưởng hóa về mặt toán học. một vài báo cáo từ các nhà thần kinh học tuyên bố đã nhìn thấy loại đồng bộ chimera này trong hoạt động của các tế bào não trong những điều kiện thí nghiệm nhất định, nhưng nếu không thì nó vẫn chưa được quan sát thấy trong tự nhiên cho đến nay.
Vẫn chưa rõ tại sao tự nhiên lại ủng hộ sự tiến hóa của trạng thái đồng bộ hóa hỗn hợp này hơn là một trạng thái đồng nhất hơn. Nhưng ngay cả sự đồng bộ cơ bản cũng luôn đặt ra một bí ẩn tiến hóa: Làm thế nào để sự hòa trộn giúp bất kỳ cá thể đực nào nổi bật trước bạn tình tiềm năng? Peleg gợi ý rằng các nghiên cứu xem xét mô hình hành vi của đom đóm cái chứ không chỉ con đực có thể cung cấp nhiều thông tin. Nhóm của cô đã bắt đầu làm điều đó với P. carolinus đom đóm nhưng chưa bằng chimera P. trán loài.
Lightning-Bug Khoa học máy tính
Đối với các nhà lập mô hình, cuộc đua hiện đang diễn ra để gói gọn các mẫu đom đóm quan sát được trong các khuôn khổ mới và cải tiến. Ermentrout có một bài báo đang được xem xét đưa ra một mô tả toán học khác về Photolin carolinus: Giả sử rằng thay vì đợi một khoảng thời gian hoàn toàn ngẫu nhiên vượt quá mức tối thiểu bắt buộc để sạc lại, các lỗi chỉ là những bộ dao động ồn ào, không đều? Sau đó, những con đom đóm có thể bắt đầu hoạt động giống như những tia sáng định kỳ gọn gàng chỉ khi được tập hợp lại với nhau. Trong các mô phỏng trên máy tính, mô hình này cũng khớp với dữ liệu của nhóm Peleg. Ermentrout nói: “Mặc dù chúng tôi không lập trình nó, nhưng những thứ giống như sóng vẫn xuất hiện.
Các nhà sinh vật học cho biết hệ thống máy ảnh và thuật toán rẻ tiền của Peleg và Sarfati có thể giúp ích rất nhiều cho việc thúc đẩy — và dân chủ hóa — nghiên cứu đom đóm. Đom đóm rất khó nghiên cứu trong tự nhiên vì việc phân biệt các loài qua ánh sáng của chúng là điều khó đối với tất cả, trừ những nhà nghiên cứu tận tâm nhất và những người có sở thích khó tính. Điều này khiến cho việc đo phạm vi và mức độ phong phú của quần thể đom đóm trở nên khó khăn ngay cả khi nỗi sợ hãi ngày càng gia tăng rằng nhiều loài bọ sét đang trên đường tuyệt chủng. Thiết lập mới có thể giúp thu thập, phân tích và chia sẻ dữ liệu đom đóm nhấp nháy dễ dàng hơn.
Vào năm 2021, Sarfati đã sử dụng hệ thống này để xác nhận một báo cáo từ Arizona rằng các loài địa phương photinus knulli có thể đồng bộ hóa khi đủ số lượng đom đóm tập hợp lại với nhau. Năm nay, phòng thí nghiệm của Peleg đã gửi 10 bản sao của hệ thống camera cho các nhà nghiên cứu đom đóm trên khắp Hoa Kỳ. Họ hiện đang thu thập dữ liệu từ các màn trình diễn ánh sáng do tám loài thực hiện vào mùa hè vừa qua. Với mục tiêu thúc đẩy các nỗ lực bảo tồn, một nhóm các nhà nghiên cứu máy học trong phòng thí nghiệm Peleg đang cố gắng đào tạo một thuật toán để xác định các loài từ các mẫu flash trong đoạn phim được ghi lại.
Mô hình hoạt hình đom đóm lấy cảm hứng từ lý thuyết toán học trong nhiều thập kỷ; Peleg hy vọng những sự thật mang nhiều sắc thái hơn hiện đang xuất hiện sẽ có kết quả tương tự.
Moiseff chia sẻ hy vọng đó. Anh ấy nói: Đom đóm “đã làm khoa học máy tính rất tốt trước khi chúng ta tồn tại. Học cách chúng đồng bộ hóa cũng có thể giúp nắm bắt tốt hơn các hành vi tự tổ chức ở các sinh vật sống khác.
Lưu ý của biên tập viên: Steven Strogatz là người dẫn chương trình Quanta'S Niềm vui tại sao podcast và là thành viên của Quantacủa ban cố vấn.
