В японских народных традициях светлячки символизируют уходящие души или тихую, горячую любовь. Некоторые культуры коренных народов в Перуанских Андах считают их глазами призраков.
В западных культурах светлячки, светлячки и другие биолюминесцентные жуки были связаны с множеством метафорических ассоциаций, включая "детство, урожай, гибель, эльфы, страх, смена среды обитания, идиллия, любовь, удача, смертность, проституция, солнцестояние, звезды и мимолетность слова и познания", как отмечалось в одном обзоре за 2016 год.
Физики уважают светлячков по причинам, которые могут показаться такими же мистическими: из более чем 2200 видов, обитающих по всему миру, только немногие способны мигать синхронно. В Малайзии и Таиланде мангровые деревья, усеянные светлячками, могут мигать в такт, словно украшенные гирляндами на Рождество; каждое лето в Аппалачах поля и леса охватывают волны жуткого согласия. Световые шоу привлекают партнеров-светлячков и толпы людей-туристов, но они также помогли разобраться в одной из самых фундаментальных попыток объяснить синхронизацию - алхимии, благодаря которой сложная координация возникает даже из очень простых отдельных частей.
Орит Пелег вспоминает, как она впервые столкнулась с тайной синхронности светлячков, будучи студенткой, изучавшей физику и информатику. Светлячки были приведены в качестве примера того, как простые системы достигают синхронности в нелинейной динамике и хаосе в учебнике математика Стивена Строгаца, который использовался на ее курсе. Пелег никогда не видела светлячков, поскольку они являются редкостью в Израиле, где она выросла.
"Это было так красиво, что это застряло у меня в голове на много-много лет", - сказала она. Однако, к тому времени, когда Пелег создала свою собственную лабораторию, применяя вычислительные методы в биологии в Университете Колорадо и в Институте Санта-Фе, она узнала, что, несмотря на то, что светлячки вдохновили многих математиков, о количественных данных, описывающих то, что на самом деле делают эти насекомые, было мало.
Она решила исправить это. За последние два года группа Пелега опубликовала серию статей, которые раскрывают секреты синхронности нескольких видов светлячков на нескольких исследовательских площадках с помощью реальных данных и гораздо более высокого разрешения, чем это удавалось предыдущим моделистам или биологам.
В этих документах отмечается, что реальные светлячки не соответствуют математическим идеализациям, которые были описаны в журналах и учебниках на протяжении десятилетий. Например, большинство моделей синхронизации светлячков предполагает, что каждый светлячок имеет свой внутренний метроном, но препринты, опубликованные группой Пелега в марте и в мае, показывают, что это не всегда так.
Одним из видов светлячков отмечено, что у них нет внутреннего ритма, и коллективный ритм возникает только благодаря синергии большого количества светлячков, собранных вместе. Более того, свежий препринт описывает редкий тип синхронности, который называется химерным состоянием, который до этого почти не наблюдался в реальном мире.
Биологи надеются, что новые методы изменят науку и помогут сохранить вид. Математики, работающие над теориями синхронности, подобными тем, которые описывались в учебниках, не всегда имели возможность получать экспериментальную обратную связь от реальных синхронизаторов. Строгац, профессор математики в Корнеллском университете, называет это "большим прорывом" и отмечает, что теперь математики могут использовать новые данные для развития теорий синхронности.
Неуловимое доказательство синхронности
В течение веков сообщения о синхронных вспышках светлячков в Юго-Восточной Азии просачивались в западный научный дискурс. В Малайзии тысячи светлячков, известных как "келип-келип", могут оседать на прибрежных деревьях. Название светлячков является своеобразным звукоподражанием их мерцанию. “Их свет вспыхивает и гаснет из-за общей симпатии”, - писал британский дипломат, путешествовавший по Таиланду в 1857 году. “В какой-то момент каждый лист и ветка кажутся украшенными алмазоподобным огнем”.
Однако не все соглашались с этими сообщениями. В 1917 году авторы письма в журнал Science жаловались, что то, что происходит среди насекомых, безусловно, противоречит всем законам природы, утверждая, что видимый эффект был вызван непроизвольным морганием зрителя. Тем не менее, к 1960-м годам приезжие исследователи светлячков подтвердили с помощью количественного анализа то, что местные лодочники в мангровых болотах давно знали.
В 1990-х годах Линн Фауст, натуралистка из Теннесси, прочла уверенное утверждение ученого Джона Коупленда о том, что в Северной Америке не существует синхронных светлячков. Однако Фауст, которая многие годы наблюдала за светлячками в близлежащем лесу, поняла, что это было нечто удивительное.
Фауст пригласила Коупленда и своего коллегу Мойсеффа посмотреть на вид светлячков под названием Photinus carolinus, который обитает в Грейт-Смоки-Маунтинс. Самцы этих светлячков заполняют леса и поляны, паря на высоте примерно человеческого роста. Вместо того, чтобы мигать в тесной координации, светлячки испускают серию быстрых вспышек в течение нескольких секунд, затем замирают на несколько раз дольше, прежде чем выпустить еще одну вспышку. Это можно сравнить с толпой папарацци, которые ждут появления знаменитостей через равные промежутки времени.
Эксперименты Коупленда и Мойсеффа показали, что изолированные светлячки P. carolinus действительно пытались мигать в такт с соседним светлячком или мигающим светодиодом в соседней банке. Команда установила высокочувствительные видеокамеры на краях полей и лесных полян для записи вспышек, а Коупленд просматривал отснятый материал кадр за кадром, подсчитывая количество светлячков, которые были освещены в каждый момент. Статистический анализ собранных данных доказал, что все светлячки в поле зрения камер на сцене испускали вспышки с регулярными, коррелированными интервалами.
По прошествии двух десятилетий, когда Пелег и физик Рафаэль Сарфати, приступили к сбору данных о светлячках, им была доступна более совершенная технология. Они разработали систему из двух камер GoPro, расположенных на расстоянии нескольких футов друг от друга, которые снимали 360-градусное видео и могли запечатлеть динамику роя светлячков изнутри.
Вместо ручного подсчета вспышек, Сарфати разработал алгоритмы обработки данных, которые могли триангулировать вспышки светлячков, пойманные обеими камерами, и записывать время каждого мигания, а также место его происхождения в трехмерном пространстве.
Сарфати применил свою систему в полевых условиях в Теннесси в июне 2019 года, чтобы изучить светлячков P. carolinus, которых Фауст прославил много лет назад. Сарфати, впервые увидев это зрелище собственными глазами, ожидал увидеть напряженные сцены синхронности светлячков, как в Азии, но вспышки в Теннесси были более хаотичными: до восьми быстрых вспышек повторялись примерно каждые 12 секунд в течение примерно четырех секунд.
Тем не менее, Сарфати, будучи физиком, чувствовал, что система с большими флуктуациями может оказаться гораздо более информативной, чем та, которая ведет себя идеально. "Это было сложно и в некотором смысле сбивало с толку, но в то же время красиво", - поделился он.
Не случайные вспышки
В своей студенческой работе Пелег впервые использовала модель, разработанную японским физиком Йошики Курамото, чтобы понять синхронизацию светлячков. Она основывалась на более ранних работах биолога-теоретика Арта Уинфри. Эта модель, называемая UR-моделью синхронности, является предком математических схем, объясняющих, как синхронность может возникать в разных системах.
Модели синхронных систем описывают два процесса: внутреннюю динамику изолированного индивидуума, в данном случае - светлячка в банке, который мигает согласно физиологическим или поведенческим правилам, и влияние вспышек одного светлячка на его соседей. Благодаря комбинации этих двух частей какофония разных светлячков может быстро сложиться в аккуратный хор.
В своей студенческой работе Пелег впервые познакомилась с моделью синхронизирующих светлячков в стиле Курамото, которая описывает два процесса: внутреннюю динамику каждого светлячка и их взаимодействие друг с другом, называемое сцеплением.
Каждый светлячок рассматривается как генератор с собственным предпочтительным ритмом, который определяет, когда он мигает. При виде вспышки соседнего светлячка маятник, задающий темп, немного сдвигается вперед или назад, и благодаря этому коллектив светлячков может синхронизироваться.
Существует несколько вариантов этой схемы, каждый из которых изменяет правила внутренней динамики и связи. В 1990 году Строгац и Миролло показали, что простой набор осцилляторов, похожих на светлячков, всегда будет синхронизироваться, если их соединить. В других работах ученые описали, как группы светлячков могут синхронизироваться, ускоряя или замедляя свои внутренние частоты, а также переключаться между состояниями "зарядки" и "разрядки".
Но в 2019 году камеры Пелег и Сарфати начали снимать трехмерные данные о светлячках Photinus carolinus в Великих Смоки, и их анализ выявил новые закономерности. Одна из них подтвердила сообщения Фауста и других натуралистов-светлячков: вспышки часто начинались в одном месте и затем распространялись по лесу каскадом со скоростью около полуметра в секунду. Ученые предположили, что связь между светлячками не была ни глобальной (когда весь рой был связан), ни чисто локальной (когда каждый светлячок заботился только о близких соседях), а была связана с тем, что светлячки обращали внимание на других светлячков на разных расстояниях. Сарфати отметил, что это могло быть связано с тем, что светлячки видят только вспышки, которые происходят в пределах прямой видимости, а в лесах растительность часто мешает.
Кроме того, светлячки P. carolinus не следуют основной предпосылке моделей Курамото: в отличие от светлячков из Юго-Восточной Азии, которые мигают с определенной периодичностью, светлячки из Теннесси делают это произвольно. Когда Пелег и Сарфати выпустили одного светлячка P. carolinus в палатке, он произвольно испускал вспышки вместо того, чтобы следовать какому-либо строгому ритму. Иногда он ждал всего несколько секунд, иногда несколько минут. Строгац заметил, что это противоречит общей концепции моделирования.
Однако, когда команда запустила 15 или более светлячков, палатка заполнилась коллективными вспышками с интервалом около дюжины секунд. Синхронность и групповая периодичность возникли! Чтобы объяснить это явление, группа Пелега обратилась к физику Шривидье Айер-Бис
Представьте себе одинокого светлячка, который только что разрядился, и учтите следующие правила: если вы изолируете его сейчас, он будет ждать случайный интервал времени, прежде чем снова зажечься. Тем не менее, у насекомого есть минимальное время, необходимое для подзарядки своих световых органов. Этот светлячок также подвержен давлению со стороны своих собратьев: если он увидит, что другой светлячок начинает светиться, он тоже будет светиться, пока это физически возможно.
Теперь представьте целое поле светлячков в темноте после вспышки. Каждый из них выбирает случайное время ожидания, превышающее период зарядки. Однако первый, кто зажёгся, вдохновляет всех остальных мгновенно включиться. Этот процесс повторяется каждый раз, когда поле погружается в темноту. По мере увеличения числа светлячков становится все более вероятным, что по крайней мере один из них случайно решит снова зажечься, как только это станет биологически возможным, и это приведет в движение всех остальных. В результате время между вспышками сокращается до минимально возможного времени ожидания. Любой ученый, наблюдающий за этой сценой, увидит то, что выглядит как устойчивый групповой ритм света, сменяющего темноту, а затем темнота снова сменяется светом.
Ученые опубликовали свой второй препринт, в котором сообщается об обнаружении еще одного экзотического образца. В национальном парке Конгари в Южной Каролине их команда обнаружила необычное явление, когда они обучали свое оборудование на синхронизирующем светлячке Photuris frontalis. "Я заметила этого маленького светлячка краем глаза: он не мигал в ритме, но все же был пунктуален", - сказала Пелег.
Анализ показал, что хотя основная группа светлячков мигала в ритме, несколько из них отказывались подстраиваться под общий ритм и мигали со своим собственным периодом.
Это состояние, названное химерной синхронностью, было ранее описано в математически идеализированной форме. Хотя такая форма синхронности была замечена в активности клеток мозга, в природе ее никогда не наблюдали. Неясно, почему природа выбрала такое беспорядочное состояние синхронизации, а не более равномерное. Однако даже базовая синхронность представляет собой эволюционную загадку!
В 2021 году Сарфати использовал систему для подтверждения сообщения из Аризоны о том, что местный вид Photinus knulli может синхронизироваться, когда собирается достаточное количество светлячков. В этом году лаборатория Пелег отправила 10 копий системы камер исследователям светлячков по всей территории США.
Светлячки “занимались информатикой задолго до того, как мы вообще существовали”, - говорят ученые. Изучение того, как они синхронизируются, может привести к лучшему пониманию самоорганизующегося поведения и у других живых существ.
Оригинал: https://www.wired.com/story/a-new-explanation-for-how-fireflies-flash-in-sync/
Ссылки на препринты:
- Спасибо за внимание!