Πώς αναβοσβήνουν οι Fireflies σε συγχρονισμό; Οι μελέτες προτείνουν μια νέα απάντηση.

Στις ιαπωνικές λαϊκές παραδόσεις, συμβολίζουν τις ψυχές που αναχωρούν ή τη σιωπηλή, ένθερμη αγάπη. Ορισμένοι αυτόχθονες πολιτισμοί στις περουβιανές Άνδεις τους βλέπουν ως τα μάτια των φαντασμάτων. Και σε διάφορους δυτικούς πολιτισμούς, οι πυγολαμπίδες, τα σκουλήκια λάμψης και άλλα βιοφωταύγεια σκαθάρια έχουν συνδεθεί με μια εκθαμβωτική και κατά καιρούς αντιφατική σειρά μεταφορικών συσχετισμών:«παιδική ηλικία, καλλιέργεια, καταστροφή, ξωτικά, φόβος, αλλαγή οικοτόπου, ειδύλλιο, αγάπη, τύχη, θνησιμότητα, πορνεία, ηλιοστάσιο, αστέρια και φευγαλέα λόγια και γνώση», όπως σημείωσε μια κριτική του 2016.

Οι φυσικοί λατρεύουν τις πυγολαμπίδες για λόγους που μπορεί να φαίνονται εξίσου μυστικιστικοί:Από τα περίπου 2.200 είδη που είναι διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο, μερικά έχουν τεκμηριωμένη ικανότητα να αναβοσβήνουν συγχρονισμένα. Στη Μαλαισία και την Ταϊλάνδη, τα μαγκρόβια δέντρα με πυγολαμπίδες μπορούν να αναβοσβήνουν ασταμάτητα σαν να είναι στριμωγμένα με χριστουγεννιάτικα φώτα. κάθε καλοκαίρι στην Απαλάχια, κύματα απόκοσμης συμφωνίας κυματίζουν σε χωράφια και δάση. Το φως των πυγολαμπίδων δείχνει να δελεάζουν συντρόφους και πλήθη ανθρώπων περιηγητών, αλλά έχουν επίσης βοηθήσει να πυροδοτήσουν μερικές από τις πιο θεμελιώδεις προσπάθειες να εξηγηθεί ο συγχρονισμός, η αλχημεία μέσω της οποίας ο περίτεχνος συντονισμός αναδύεται ακόμη και από πολύ απλά μεμονωμένα μέρη.

Η Orit Peleg θυμάται πότε αντιμετώπισε για πρώτη φορά το μυστήριο των σύγχρονων πυγολαμπίδων ως προπτυχιακή που σπούδαζε φυσική και επιστήμη υπολογιστών. Οι πυγολαμπίδες παρουσιάστηκαν ως παράδειγμα του πώς τα απλά συστήματα επιτυγχάνουν συγχρονισμό στο Μη Γραμμική Δυναμική και Χάος , ένα εγχειρίδιο του μαθηματικού Steven Strogatz που χρησιμοποιούσε η τάξη της. Η Peleg δεν είχε δει ποτέ ούτε πυγολαμπίδα, καθώς είναι ασυνήθιστο στο Ισραήλ, όπου μεγάλωσε.

«Είναι τόσο όμορφο που με κάποιο τρόπο έμεινε στο κεφάλι μου για πολλά πολλά χρόνια», είπε. Αλλά όταν η Peleg ξεκίνησε το δικό της εργαστήριο, εφαρμόζοντας υπολογιστικές προσεγγίσεις στη βιολογία στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο και στο Ινστιτούτο Σάντα Φε, είχε μάθει ότι παρόλο που οι πυγολαμπίδες είχαν εμπνεύσει πολλά μαθηματικά, τα ποσοτικά δεδομένα που περιγράφουν τι έκαναν στην πραγματικότητα τα έντομα ήταν λιγοστό.

Ξεκίνησε να το διορθώσει. Τα τελευταία δύο χρόνια, μια σειρά εγγράφων από την ομάδα του Peleg άνοιξαν έναν πυροσβεστικό σωλήνα με δεδομένα από τον πραγματικό κόσμο σχετικά με το συγχρονισμό σε πολλαπλά είδη πυγολαμπίδων σε πολλαπλές τοποθεσίες μελέτης και σε πολύ υψηλότερη ανάλυση από ό,τι είχαν καταφέρει οι προηγούμενοι μοντελιστές ή βιολόγοι. «Αρκετά εκπληκτικό» είναι το πώς ο μαθηματικός βιολόγος Bard Ermentrout στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ περιέγραψε τα αποτελέσματα της ομάδας στο Quanta . «Έμεινα έκπληκτος», είπε ο Andrew Moiseff, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ.

Αυτά τα άρθρα αποδεικνύουν ότι τα σμήνη των πραγματικών πυγολαμπίδων απομακρύνονται από τις μαθηματικές εξιδανικεύσεις που κυκλοφόρησαν σε περιοδικά και σχολικά βιβλία για δεκαετίες. Σχεδόν κάθε μοντέλο συγχρονισμού πυγολαμπίδας που επινοήθηκε ποτέ, για παράδειγμα, υποθέτει ότι κάθε πυγολαμπίδα διατηρεί τον δικό της εσωτερικό μετρονόμο. Ωστόσο, μια προεκτύπωση που δημοσίευσε η ομάδα του Peleg τον Μάρτιο, έδειξε ότι σε τουλάχιστον ένα είδος, οι μεμονωμένες πυγολαμπίδες δεν έχουν εγγενή ρυθμό και υπέθεσε ότι ένας συλλογικός ρυθμός αναδύεται μόνο από την τρομακτική συνέργεια πολλών κεραυνών που συγκεντρώθηκαν μαζί. Μια ακόμη πιο πρόσφατη προεκτύπωση, που ανέβηκε για πρώτη φορά τον Μάιο και ενημερώθηκε την περασμένη εβδομάδα, κατέγραψε έναν σπάνιο τύπο συγχρονισμού που οι μαθηματικοί αποκαλούν κατάσταση χίμαιρας, ο οποίος δεν έχει παρατηρηθεί σχεδόν ποτέ στον πραγματικό κόσμο εκτός από επινοημένα πειράματα.

Οι βιολόγοι της πυγολαμπίδας ελπίζουν ότι οι νέες μέθοδοι θα αναδιαμορφώσουν την επιστήμη και τη διατήρηση των πυγολαμπίδων. Εν τω μεταξύ, οι μαθηματικοί που επινοούν θεωρίες συγχρονισμού, όπως αυτές που περιέγραψε ο Strogatz στο σχολικό του βιβλίο, λειτούργησαν χωρίς πολλά πειραματικά σχόλια από ακατάστατους συγχρονιστές του πραγματικού κόσμου. «Αυτή είναι η μεγάλη ανακάλυψη», είπε ο Strogatz, καθηγητής μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο Cornell. "Τώρα μπορούμε να αρχίσουμε να κλείνουμε τον βρόχο."

Η άπιαστη απόδειξη του συγχρονισμού

Αναφορές για πυγολαμπίδες που φουντώνουν ομόφωνα στη Νοτιοανατολική Ασία φιλτράρονται πίσω στον δυτικό επιστημονικό λόγο για αιώνες. Χιλιάδες πυγολαμπίδες, που ονομάζονται kelip-kelip στη Μαλαισία - το όνομά τους είναι ένα είδος οπτικής ονοματοποιίας για το λαμπερό τους - μπορεί να εγκατασταθεί σε δέντρα δίπλα στο ποτάμι. «Το φως τους ανάβει και σβήνει από μια κοινή συμπάθεια», έγραψε ένας Βρετανός διπλωμάτης που περιόδευε την Ταϊλάνδη το 1857. «Μια στιγμή κάθε φύλλο και κλαδί φαίνεται στολισμένο με φωτιά σαν διαμάντι.»

Δεν δέχτηκαν όλοι αυτές τις αναφορές. «Το να συμβαίνει κάτι τέτοιο μεταξύ των εντόμων είναι σίγουρα αντίθετο με όλους τους φυσικούς νόμους», μια επιστολή στο περιοδικό Science παραπονέθηκε το 1917, υποστηρίζοντας ότι η φαινομενική επίδραση προκλήθηκε από το ακούσιο βλεφάρισμα του θεατή. Ωστόσο, μέχρι τη δεκαετία του 1960, επισκεπτόμενοι ερευνητές της πυγολαμπίδας επιβεβαίωσαν μέσω ποσοτικής ανάλυσης αυτό που γνώριζαν από καιρό οι τοπικοί βαρκάρηδες σε βάλτους μαγγρόβια.

Ένα παρόμοιο σενάριο διαδραματίστηκε στη δεκαετία του 1990, όταν ένας φυσιοδίφης από το Τενεσί, ονόματι Λιν Φάουστ, διάβασε τη σίγουρη δημοσιευμένη δήλωση ενός επιστήμονα ονόματι Jon Copeland ότι δεν υπήρχαν σύγχρονες πυγολαμπίδες στη Βόρεια Αμερική. Η Φάουστ ήξερε τότε ότι αυτό που έβλεπε για δεκαετίες στο κοντινό δάσος ήταν κάτι αξιοσημείωτο.

Ο Faust κάλεσε τον Copeland και τον Moiseff, τον συνεργάτη του, να δουν ένα είδος στα Great Smoky Mountains που ονομάζεται Photinus carolinus . Τα σύννεφα των αρσενικών πυγολαμπίδων γεμίζουν δάση και ξέφωτα, που επιπλέουν σε ύψος περίπου ανθρώπου. Αντί να αναβοσβήνουν σε στενό συντονισμό, αυτές οι πυγολαμπίδες εκπέμπουν μια έκρηξη από γρήγορες λάμψεις μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα και μετά σιωπούν για αρκετές φορές τόσο πολύ πριν χάσουν άλλη μια έκρηξη. (Φανταστείτε ένα πλήθος παπαράτσι να περιμένουν διασημότητες να εμφανίζονται σε τακτά χρονικά διαστήματα, να βγάζουν φωτογραφίες σε κάθε εμφάνισή τους και μετά να κουνάνε τους αντίχειρές τους στο χρόνο διακοπής λειτουργίας.)

Τα πειράματα των Copeland και Moiseff έδειξαν ότι ο απομονωμένος P. carolinus Οι πυγολαμπίδες προσπάθησαν πραγματικά να αναβοσβήσουν σε ρυθμό με μια γειτονική πυγολαμπίδα - ή ένα LED που αναβοσβήνει - σε ένα κοντινό βάζο. Η ομάδα δημιούργησε επίσης βιντεοκάμερες υψηλής ευαισθησίας στις άκρες των χωραφιών και στα ξέφωτα των δασών για να καταγράφει φλας. Ο Copeland πέρασε καρέ καρέ μέσα από τα πλάνα, μετρώντας πόσες πυγολαμπίδες φωτίζονταν κάθε στιγμή. Η στατιστική ανάλυση αυτών των δεδομένων που συγκεντρώθηκαν επίπονα απέδειξε ότι όλες οι πυγολαμπίδες που βλέπονταν από τις κάμερες σε μια σκηνή πραγματικά εξέπεμπαν εκρήξεις φλας σε τακτά, συσχετισμένα διαστήματα.

Δύο δεκαετίες αργότερα, όταν η Peleg και ο μεταδιδακτορικός της, ο φυσικός Raphaël Sarfati, ξεκίνησαν να συλλέγουν δεδομένα για τις πυγολαμπίδες, ήταν διαθέσιμη καλύτερη τεχνολογία. Σχεδίασαν ένα σύστημα δύο καμερών GoPro τοποθετημένες σε απόσταση λίγων μέτρων μεταξύ τους. Επειδή οι κάμερες τράβηξαν βίντεο 360 μοιρών, μπορούσαν να καταγράψουν τη δυναμική ενός σμήνους πυγολαμπίδων από μέσα, όχι μόνο από το πλάι. Αντί να μετράει τα φλας με το χέρι, ο Σαρφάτι επινόησε αλγόριθμους επεξεργασίας που θα μπορούσαν να τριγωνίζονται σε φλας με πυγολαμπίδες που τραβήχτηκαν και από τις δύο κάμερες και στη συνέχεια να καταγράφουν όχι μόνο πότε συνέβη κάθε αναλαμπή, αλλά και πού εμφανιζόταν στον τρισδιάστατο χώρο.

Ο Sarfati έφερε για πρώτη φορά αυτό το σύστημα στο γήπεδο στο Τενεσί τον Ιούνιο του 2019 για το P. carolinus πυγολαμπίδες που είχε κάνει διάσημο ο Φάουστ. Ήταν η πρώτη του φορά που έβλεπε το θέαμα με τα μάτια του. Είχε φανταστεί κάτι σαν τις σφιχτές σκηνές του συγχρονισμού των πυγολαμπίδων από την Ασία, αλλά οι εκρήξεις του Τενεσί ήταν πιο βρώμικες, με εκρήξεις έως και οκτώ γρήγορες λάμψεις σε περίπου τέσσερα δευτερόλεπτα που επαναλαμβάνονταν περίπου κάθε 12 δευτερόλεπτα. Ωστόσο, αυτή η ακαταστασία ήταν συναρπαστική:Ως φυσικός, ένιωθε ότι ένα σύστημα με άγριες διακυμάνσεις θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύ πιο κατατοπιστικό από ένα σύστημα που συμπεριφερόταν τέλεια. «Ήταν περίπλοκο, ήταν μπερδεμένο κατά μία έννοια, αλλά και όμορφο», είπε.

Τυχαία αλλά συμπαθητικά φλας

Στο προπτυχιακό της πινέλο με συγχρονιζόμενες πυγολαμπίδες, η Peleg έμαθε για πρώτη φορά να τις κατανοεί μέσω ενός μοντέλου που επισημοποιήθηκε από τον Ιάπωνα φυσικό Yoshiki Kuramoto, βασιζόμενος σε παλαιότερη εργασία του θεωρητικού βιολόγου Art Winfree. Αυτό είναι το ur-μοντέλο του συγχρονισμού, ο παππούς των μαθηματικών σχημάτων που εξηγούν πώς μπορεί να προκύψει συγχρονισμός, συχνά αναπόφευκτα, σε οτιδήποτε, από ομάδες κυττάρων βηματοδότη στην ανθρώπινη καρδιά έως εναλλασσόμενα ρεύματα.

Στην πιο βασική τους μορφή, τα μοντέλα σύγχρονων συστημάτων πρέπει να περιγράφουν δύο διαδικασίες. Το ένα είναι η εσωτερική δυναμική ενός απομονωμένου ατόμου - σε αυτήν την περίπτωση μια μοναχική πυγολαμπίδα σε ένα βάζο, που διέπεται από έναν φυσιολογικό κανόνα ή κανόνα συμπεριφοράς που καθορίζει πότε αναβοσβήνει. Το δεύτερο είναι αυτό που οι μαθηματικοί ονομάζουν σύζευξη, ο τρόπος με τον οποίο η λάμψη μιας πυγολαμπίδας επηρεάζει τους γείτονές της. Με τυχαίους συνδυασμούς αυτών των δύο μερών, μια κακοφωνία διαφορετικών παραγόντων μπορεί γρήγορα να τραβήξει τον εαυτό της σε ένα τακτοποιημένο ρεφρέν.

Σε μια περιγραφή τύπου Kuramoto, κάθε μεμονωμένη πυγολαμπίδα αντιμετωπίζεται ως ταλαντωτής με έναν εγγενή προτιμώμενο ρυθμό. Φανταστείτε τις πυγολαμπίδες σαν να έχουν ένα κρυφό εκκρεμές να αιωρείται σταθερά μέσα τους. φανταστείτε ότι ένα ζωύφιο αναβοσβήνει κάθε φορά που το εκκρεμές του διαπερνά το κάτω μέρος του τόξου του. Ας υποθέσουμε επίσης ότι βλέποντας ένα γειτονικό φλας τραβιέται το εκκρεμές της πυγολαμπίδας λίγο προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Ακόμα κι αν οι πυγολαμπίδες ξεκινούν ασυγχρονισμένες μεταξύ τους ή οι προτιμώμενοι εσωτερικοί τους ρυθμοί ποικίλλουν μεμονωμένα, μια ομάδα που διέπεται από αυτούς τους κανόνες συχνά συγκλίνει σε ένα συντονισμένο μοτίβο φλας.

Αρκετές παραλλαγές σε αυτό το γενικό σχήμα έχουν προκύψει με την πάροδο των ετών, καθεμία από τις οποίες τροποποιεί τους κανόνες της εσωτερικής δυναμικής και της σύζευξης. Το 1990, ο Strogatz και ο συνάδελφός του Rennie Mirollo από το Boston College απέδειξαν ότι ένα πολύ απλό σύνολο ταλαντωτών που μοιάζουν με πυγολαμπίδες θα συγχρονιζόταν σχεδόν πάντα εάν τους διασυνδέατε, ανεξάρτητα από το πόσα άτομα συμπεριλάβατε. Τον επόμενο χρόνο, ο Ermentrout περιέγραψε πώς ομάδες Pteroptyx malaccae Οι πυγολαμπίδες στη Νοτιοανατολική Ασία θα μπορούσαν να συγχρονιστούν επιταχύνοντας ή επιβραδύνοντας τις εσωτερικές τους συχνότητες. Μόλις το 2018, μια ομάδα με επικεφαλής τον Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila του Ανώτερου Πανεπιστημίου του San Andrés στη Βολιβία επινόησε ένα πιο περίπλοκο σχέδιο στο οποίο οι πυγολαμπίδες εναλλάσσονταν μεταξύ μιας κατάστασης «φόρτισης» και μιας κατάστασης «εκφόρτισης» κατά την οποία αναβοσβήνει.

Αλλά όταν οι κάμερες του Peleg και του Sarfati άρχισαν να καταγράφουν τρισδιάστατα δεδομένα από την έκρηξη και μετά την αναμονή Photinus carolinus πυγολαμπίδες στο Great Smokies το 2019, οι αναλύσεις τους αποκάλυψαν νέα μοτίβα.

Το ένα ήταν η επιβεβαίωση κάτι που ο Φάουστ και άλλοι φυσιοδίφες της πυγολαμπίδας είχαν αναφέρει εδώ και καιρό:Μια έκρηξη αναλαμπές συχνά ξεκινούσε από ένα μέρος και μετά διασχιζόταν μέσα στο δάσος με περίπου μισό μέτρο το δευτερόλεπτο. Οι μεταδοτικοί κυματισμοί πρότειναν ότι η σύζευξη των πυγολαμπίδων δεν ήταν ούτε παγκόσμια (με ολόκληρο το σμήνος συνδεδεμένο) ούτε καθαρά τοπική (με κάθε πυγολαμπίδα να νοιάζεται μόνο για τους στενούς γείτονες). Αντ 'αυτού, οι πυγολαμπίδες έδειχναν να δίνουν προσοχή σε άλλες πυγολαμπίδες σε συνδυασμό κλίμακας απόστασης. Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι οι πυγολαμπίδες μπορούν να δουν μόνο λάμψεις που εμφανίζονται μέσα σε ένα αδιάσπαστο οπτικό πεδίο, είπε ο Sarfati. στα δάση, η βλάστηση συχνά παρεμποδίζει.

Π. καρολίνος  Οι πυγολαμπίδες φαίνεται επίσης να αψηφούν μια βασική αρχή των μοντέλων με γεύση Κουραμότο:Σε αντίθεση με τις πυγολαμπίδες της Νοτιοανατολικής Ασίας που κάνουν κάθε φλας με μια εγγενή περιοδικότητα, οι πυγολαμπίδες του Τενεσί δεν το κάνουν. Όταν ο Peleg και ο Sarfati κυκλοφόρησαν ένα σινγκλ P. καρολίνος  πυγολαμπίδα σε μια σκηνή, εξέπεμπε ριπές λάμψεις τυχαία αντί να ακολουθεί οποιονδήποτε αυστηρό ρυθμό. Μερικές φορές περίμενε μόνο λίγα δευτερόλεπτα, άλλες φορές λίγα λεπτά. "Αυτό σας βγάζει ήδη από το σύμπαν όλων των υπαρχόντων μοντέλων", είπε ο Strogatz.

Αλλά μόλις η ομάδα έριξε 15 ή περισσότερες πυγολαμπίδες, ολόκληρη η σκηνή φωτίστηκε με συλλογικές εκρήξεις φλας σε απόσταση περίπου δώδεκα δευτερολέπτων. Ο συγχρονισμός και η ομαδική περιοδικότητα ήταν καθαρά αναδυόμενα προϊόντα των πυγολαμπίδων που έκαναν παρέα. Για να προσδιορίσει πώς θα μπορούσε να συμβεί αυτό, η ομάδα Peleg απευθύνθηκε στον φυσικό Srividya Iyer-Biswas του Πανεπιστημίου Purdue και του Ινστιτούτου Santa Fe για βοήθεια. Κατά τη διάρκεια της νύχτας, ο διδακτορικός φοιτητής του Iyer-Biswas, Kunaal Joshi, ανέλυσε τα δεδομένα πεδίου και ανέπτυξε ένα νέο μοντέλο για την αναδυόμενη περιοδικότητα, το οποίο οι επιστήμονες ανέβασαν ως πρόχειρο έγγραφο στον διακομιστή προεκτύπωσης biorxiv.org την περασμένη άνοιξη.

Φανταστείτε μια απομονωμένη πυγολαμπίδα που μόλις εξέπεμψε μια έκρηξη αναλαμπών και σκεφτείτε τους ακόλουθους κανόνες. Εάν το απομονώσετε τώρα, θα περιμένει ένα τυχαίο διάστημα πριν αναβοσβήσει ξανά. Υπάρχει, ωστόσο, ένας ελάχιστος χρόνος αναμονής που χρειάζεται το έντομο για την επαναφόρτιση των ελαφρών οργάνων του. Αυτή η πυγολαμπίδα είναι επίσης ευαίσθητη στην πίεση των ομοτίμων:Αν δει μια άλλη πυγολαμπίδα να αρχίζει να αναβοσβήνει, θα αναβοσβήνει επίσης, όσο μπορεί φυσικά.

Τώρα φανταστείτε ένα ολόκληρο πεδίο με πυγολαμπίδες στο ήσυχο σκοτάδι αμέσως μετά από μια έκρηξη. Ο καθένας επιλέγει έναν τυχαίο χρόνο αναμονής μεγαλύτερο από την περίοδο χρέωσης. Όποιος φλας πρώτος, όμως, εμπνέει όλους τους άλλους να πηδήξουν αμέσως. Όλη αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται κάθε φορά που το πεδίο σκοτεινιάζει. Καθώς ο αριθμός των πυγολαμπίδων αυξάνεται, γίνεται όλο και πιο πιθανό ότι τουλάχιστον μία θα επιλέξει τυχαία να αναβοσβήνει ξανά μόλις είναι βιολογικά δυνατό, και αυτό θα πυροδοτήσει τις υπόλοιπες. Ως αποτέλεσμα, ο χρόνος μεταξύ των ριπών μειώνεται προς τον ελάχιστο χρόνο αναμονής. Όλοι οι επιστήμονες που κοιτάζουν σε αυτή τη σκηνή θα δουν αυτό που μοιάζει με έναν σταθερό ομαδικό ρυθμό φωτός που κυλάει στο σκοτάδι και στη συνέχεια σκοτάδι που εκρήγνυται με φως.

Μια δεύτερη προεκτύπωση από την ομάδα Peleg αποκάλυψε ένα άλλο εξωτικό μοτίβο. Στο Εθνικό Πάρκο Congaree στη Νότια Καρολίνα, η Peleg παρατήρησε κάτι περίεργο όταν η ομάδα της εκπαίδευσε τον εξοπλισμό της στη συγχρονιζόμενη πυγολαμπίδα Photuris frontalis. «Θυμάμαι ότι είδα με την άκρη του ματιού μου ότι υπάρχει αυτή η μικρή πυγολαμπίδα που πραγματικά δεν είναι σε ρυθμό. Αλλά εξακολουθεί να είναι ακριβής», είπε.

Η ανάλυση της ομάδας έδειξε ότι ενώ η κύρια χορωδία των πυγολαμπίδων έλαμψε σε ρυθμό, οι πεισματάρηδες αρνήθηκαν να παίξουν μαζί. Μοιράζονταν τον ίδιο χώρο και άστραψαν με τη δική τους περίοδο, αλλά ήταν εκτός φάσης με τη γύρω συμφωνία. Μερικές φορές τα ακραία σημεία φαινόταν να συγχρονίζονται μεταξύ τους. μερικές φορές απλά αναβοσβήνουν ασύγχρονα. Η ομάδα του Peleg περιγράφει αυτό ως μια κατάσταση χίμαιρας, μια μορφή συγχρονισμού που σημειώθηκε για πρώτη φορά από τον Kuramoto και τον μεταδιδάκτορά του Dorjsuren Battogtokh το 2001 και εξερευνήθηκε από τον Strogatz και τον μαθηματικό Daniel Abrams του Πανεπιστημίου Northwestern το 2004 σε μια μαθηματικά εξιδανικευμένη μορφή. Μερικές αναφορές από νευροεπιστήμονες ισχυρίζονται ότι έχουν δει αυτό το είδος συγχρονισμού χίμαιρας στη δραστηριότητα των εγκεφαλικών κυττάρων υπό ορισμένες πειραματικές συνθήκες, αλλά διαφορετικά δεν έχει παρατηρηθεί στη φύση μέχρι τώρα.

Δεν είναι ακόμη ξεκάθαρο γιατί η φύση θα ευνοούσε την εξέλιξη αυτής της κατάστασης συγχρονισμού θορυβώδη παρά μια πιο ομοιόμορφη. Αλλά ακόμα και ο βασικός συγχρονισμός ανέκαθεν έθετε ένα εξελικτικό μυστήριο:Πώς η ανάμειξη βοηθά κάθε μεμονωμένο αρσενικό να ξεχωρίζει σε έναν πιθανό σύντροφο; Ο Peleg πρότεινε ότι οι μελέτες που εξετάζουν τα πρότυπα συμπεριφοράς των θηλυκών πυγολαμπίδων και όχι μόνο των αρσενικών μπορεί να είναι κατατοπιστικές. Η ομάδα της έχει αρχίσει να το κάνει αυτό με το P. carolinus πυγολαμπίδες αλλά όχι ακόμα με την χίμαιρα P. frontalis είδη.

Lightning-Bug Computer Science

Για τους μοντελιστές, ο αγώνας είναι τώρα σε εξέλιξη για να ενσωματωθούν τα παρατηρούμενα μοτίβα πυγολαμπίδων σε νέα και βελτιωμένα πλαίσια. Η Ermentrout έχει μια εργασία υπό εξέταση που προσφέρει μια διαφορετική μαθηματική περιγραφή του Photinus carolinus :Ας υποθέσουμε ότι αντί να περιμένουμε έναν καθαρά τυχαίο χρόνο πέρα ​​από το υποχρεωτικό ελάχιστο για επαναφόρτιση, τα σφάλματα είναι απλώς θορυβώδεις, ακανόνιστοι ταλαντωτές; Οι πυγολαμπίδες μπορεί τότε να αρχίσουν να λειτουργούν σαν τακτοποιημένα περιοδικά φλας μόνο όταν συγκεντρωθούν. Στις προσομοιώσεις υπολογιστή, αυτό το μοντέλο ταιριάζει επίσης με τα δεδομένα της ομάδας Peleg. "Αν και δεν το προγραμματίσαμε, αναδύονται πράγματα όπως τα κύματα", είπε ο Ermentrout.

Το φθηνό σύστημα κάμερας και αλγορίθμου των Peleg και Sarfati μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην προώθηση - και στον εκδημοκρατισμό - της έρευνας για τις πυγολαμπίδες, λένε οι βιολόγοι. Οι πυγολαμπίδες είναι δύσκολο να μελετηθούν στη φύση, επειδή είναι δύσκολο να ξεχωρίσουν τα είδη από τα φλας τους, εκτός από τους πιο αφοσιωμένους ερευνητές και τους σκληροπυρηνικούς χομπίστες. Αυτό καθιστά τη μέτρηση της εμβέλειας και της αφθονίας των πληθυσμών πυγολαμπίδας δύσκολη, ακόμη και όταν αυξάνονται οι φόβοι ότι πολλά είδη κεραυνών βρίσκονται στο δρόμο προς την εξαφάνιση. Η νέα ρύθμιση μπορεί να διευκολύνει τη συλλογή, ανάλυση και κοινή χρήση δεδομένων που αναβοσβήνουν.

Το 2021, ο Sarfati χρησιμοποίησε το σύστημα για να επιβεβαιώσει μια αναφορά από την Αριζόνα ότι το τοπικό είδος Photinus knulli μπορεί να συγχρονιστεί όταν συγκεντρωθούν αρκετές πυγολαμπίδες. Φέτος, το εργαστήριο του Peleg έστειλε 10 αντίγραφα του συστήματος κάμερας σε ερευνητές πυγολαμπίδων σε όλες τις ΗΠΑ, οι οποίοι τώρα λαμβάνουν δεδομένα από τις εκπομπές φωτός που παρήχθησαν το περασμένο καλοκαίρι από οκτώ είδη. Με στόχο την ενίσχυση των προσπαθειών διατήρησης, μια ομάδα ερευνητών μηχανικής μάθησης στο εργαστήριο Peleg προσπαθούν να εκπαιδεύσουν έναν αλγόριθμο για τον εντοπισμό ειδών από τα μοτίβα φλας στο καταγεγραμμένο υλικό.

Τα εξιδανικευμένα μοντέλα πυγολαμπίδων ενέπνευσαν τη μαθηματική θεωρία για δεκαετίες. Ο Peleg ελπίζει ότι οι πιο λεπτές αλήθειες που αναδύονται τώρα θα έχουν παρόμοια συνέπεια.

Ο Moiseff συμμερίζεται αυτή την ελπίδα. Οι Fireflies «ασχολούνταν με την επιστήμη των υπολογιστών πολύ πριν καν υπάρχουμε», είπε. Η εκμάθηση του τρόπου συγχρονισμού θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερη κατανόηση των συμπεριφορών αυτοοργάνωσης και σε άλλα έμβια όντα.

Σημείωση του συντάκτη: Ο Ο Steven Strogatz είναι ο οικοδεσπότης του Quanta's Joy of Why podcast και μέλος του συμβουλευτικό συμβούλιο της Quanta.

Διορθώσεις:21 Σεπτεμβρίου 2022
Προστέθηκε μια διευκρίνιση ότι μεμονωμένες πυγολαμπίδες της Νοτιοανατολικής Ασίας έχουν μια εγγενή περίοδο ταλάντωσης, σύμφωνα με το μοντέλο Kuramoto. Το άρθρο τροποποιήθηκε επίσης για να συμπεριλάβει τη σημαντική συμβολή του Joshi στην ανάπτυξη του νέου μοντέλου για την αναδυόμενη περιοδικότητα και τις προηγούμενες συνεισφορές των Winfree και Battogtokh σε αυτόν τον τομέα μελέτης.