Жизнь и Вселенная предлагают множество замечательных примеров спонтанной синхронизации между популяциями. Речь идет не только о механических явлениях, таких как тиканье метронома. Большие популяции сверчков или нейронов умудряются синхронизировать свое поведение так, что их стрекотание или нейронные вспышки в итоге работают в синхронном ритме. Когда-нибудь мы надеемся узнать, как жизнь извлекает смысл из гармонии.
Птицы делают это. Жуки делают это. Даже зрители на спектакле делают это. Клетки вашего тела делают это прямо сейчас, и это довольно удивительно.
Все они синхронизируются. От жучков-молний, вспыхивающих в ритм на летнем поле, до громовых аплодисментов зрителей, каким-то образом попадающих в такт, жизнь и Вселенная предлагают множество замечательных примеров спонтанной синхронизации между популяциями. Хотя до сих пор остаются глубокие загадки относительно того, как это происходит, ученые уже уловили основной механизм, который не только объясняет спонтанную синхронизацию, но и может дать некоторые фундаментальные подсказки о жизни и ее использовании информации.
Наука о синхронизации
Ученые сталкивались с загадкой синхронизации с самого зарождения науки. В 1665 году Христиан Гюйгенс, который изобрел маятниковые часы, писал о том, что наблюдал странную симпатию, которую разделяли маятники, расположенные рядом друг с другом. После того, как каждый из них начал двигаться не в фазе - другими словами, раскачиваться в своем собственном ритме, - два маятника вскоре вступили в идеальный танец. Будучи блестящим физиком, Гюйгенс пришел к выводу, что должны существовать какие-то тонкие и незаметные движения материала, поддерживающего оба маятника, которые заставляют их синхронизироваться.
Позднее эта тема выйдет за рамки механических явлений. В 1948 году Норберт Вайнер написал книгу под названием "Кибернетика", посвященную двум проблемам - управлению и коммуникации в системах. В своей книге Вайнер спрашивал, как большие популяции сверчков или нейронов могут синхронизировать свое поведение таким образом, чтобы их стрекот или нейронные вспышки в конечном итоге двигались в такт.
Итак, если в живом и неживом мире наблюдается спонтанная синхронизация, какие ключевые элементы необходимы для того, чтобы уловить ее суть?
Сопряжения и осцилляторы
Критический прогресс в этой области был достигнут благодаря признанию того, что все случаи синхронизации могут быть описаны математически с помощью двух компонентов. Во-первых, существует популяция осцилляторов - причудливый математический способ обозначения всего, что повторяется. Маятник - это механический осциллятор. Нейрон, повторяющийся в мозге, - это клеточный осциллятор. Жучки-молнии, вспыхивающие в поле, - это животные осцилляторы.
Следующим шагом будет обеспечение некоторой связи между всеми индивидуумами. Маятники лежат на столе. Нейроны имеют связь с другими нейронами. Светлячки могут видеть, как загораются друг друга. Все это примеры связей.
С помощью этих двух компонентов вся проблема может быть четко описана в математике с помощью так называемых динамических систем, которые, по сути, являются дифференциальными уравнениями на стероидах. Именно это и сделал Йошики Курамото в двух работах, написанных в 1975 и 1982 годах. Так называемая модель Курамото стала золотым стандартом для изучения спонтанной синхронизации. Модель Курамото выявила баланс между силой связи между осцилляторами и разнообразием врожденных частот внутри каждого из них.
Что такое частота, Курамото?
Если каждый сверчок стрекочет со своим собственным импульсом - импульсом, совершенно случайным по сравнению со всеми остальными сверчками, - то только очень сильная связь приведет к красивой синхронизации стрекотания. Здесь "сильная связь" означает, что сверчки действительно обращают внимание друг на друга. Слабая связь означает, что сверчки действительно слышат друг друга, но они не мотивированы уделять друг другу много внимания. Только если все сверчки имеют врожденные частоты стрекотания, которые относительно близки друг к другу, они могут синхронизироваться, и тогда они могут сделать это даже при слабой связи.
Широкий диапазон врожденных частот требует сильного сцепления для синхронизации. Небольшой диапазон врожденных частот требует только слабой связи для синхронизации.
Однако наиболее важной особенностью, которую выявила модель Курамото, был отчетливый фазовый переход в системах такого типа. Фазовый переход - это относительно резкий переход от одного типа поведения (отсутствие синхронизации) к другому (полная синхронизация). Ученые обнаружили, что модель Курамото демонстрирует четкое начало синхронизации, что является отличительной чертой фазового перехода. Когда сила связи между популяцией осцилляторов увеличивается, они совершают внезапный переход от хаоса к хору.
Модель Курамото - прекрасный пример простой математической системы, которая способна отразить сложное поведение сложной системы. Именно поэтому я и мои коллеги используем ее в качестве первого шага в попытке разработать теорию семантической информации. Недавно мы получили грант от Фонда Темплтона, чтобы понять, как жизнь использует информацию для создания смысла - то, что обычная теория информации не рассматривает. Поскольку модель Курамото одновременно проста и говорит о том удивительном поведении, которое демонстрирует жизнь, мы планируем посмотреть, сможем ли мы переформулировать ее в рамках информационной теории. Если это получится, то мы сможем немного глубже понять, как жизнь и Вселенная создают смысл из гармонии.