Nowe wyjaśnienie, jak świetliki migają podczas synchronizacji

0
22

Podobny scenariusz rozegrał się w latach 90., kiedy przyrodnik z Tennessee, Lynn Faust, przeczytał pewne opublikowane stwierdzenie naukowca Jona Copelanda, że ​​w Ameryce Północnej nie było synchronicznych świetlików. Faust wiedział wtedy, że to, co obserwowała od dziesięcioleci w pobliskim lesie, było czymś niezwykłym.

Faust zaprosił Copelanda i Moiseffa, jego współpracownika, aby zobaczyli gatunek w Great Smoky Mountains zwany Photinus carolinus. Chmury samców świetlików wypełniają lasy i polany, unosząc się na wysokości mniej więcej człowieka. Zamiast mrugać w ścisłej koordynacji, te świetliki emitują serię szybkich błysków w ciągu kilku sekund, po czym milkną na kilka razy tyle czasu, zanim stracą kolejną serię. (Wyobraź sobie tłum paparazzi czekających na pojawienie się celebrytów w regularnych odstępach czasu, robiąc serię zdjęć przy każdym pojawieniu się, a następnie kręcąc kciukami w czasie przestoju.)

Eksperymenty Copelanda i Moiseffa wykazały, że jest to izolowane P. carolinus świetliki naprawdę próbowały błyskać w rytmie z sąsiednim świetlikiem — lub migającą diodą LED — w pobliskim słoiku. Zespół ustawił również kamery wideo o wysokiej czułości na obrzeżach pól i polan leśnych, aby rejestrować błyski. Copeland przejrzał nagranie klatka po klatce, licząc, ile świetlików świeciło w każdej chwili. Analiza statystyczna tych skrupulatnie zebranych danych dowiodła, że ​​wszystkie świetliki w polu widzenia kamer rzeczywiście emitowały błyski w regularnych, skorelowanych odstępach czasu.

Dwie dekady później, kiedy Peleg i jej doktor habilitowany, fizyk Raphaël Sarfati, postanowili zebrać dane dotyczące świetlików, dostępna była lepsza technologia. Zaprojektowali system dwóch kamer GoPro umieszczonych kilka stóp od siebie. Ponieważ kamery rejestrowały wideo 360 stopni, mogły uchwycić dynamikę roju świetlików od wewnątrz, a nie tylko z boku. Zamiast ręcznego liczenia błysków, Sarfati opracował algorytmy przetwarzania, które mogły triangulować błyski świetlików uchwycone przez oba aparaty, a następnie rejestrować nie tylko moment każdego mrugnięcia, ale także miejsce jego wystąpienia w przestrzeni trójwymiarowej.

Firma Sarfati po raz pierwszy zastosowała ten system w terenie w Tennessee w czerwcu 2019 r P. carolinus świetliki, które rozsławił Faust. Po raz pierwszy widział to widowisko na własne oczy. Wyobrażał sobie coś w rodzaju ciasnych scen synchronizacji świetlików z Azji, ale wybuchy z Tennessee były bardziej chaotyczne, z seriami do ośmiu szybkich błysków w ciągu około czterech sekund, powtarzanymi mniej więcej co 12 sekund. Jednak ten bałagan był ekscytujący: jako fizyk uważał, że system z dzikimi fluktuacjami może dostarczyć znacznie więcej informacji niż ten, który zachowuje się doskonale. „To było skomplikowane, w pewnym sensie zagmatwane, ale także piękne” – powiedział.

Przypadkowe, ale sympatyczne przebłyski

Podczas studiów licencjackich z synchronizacją świetlików Peleg najpierw nauczyła się je rozumieć za pomocą modelu sformalizowanego przez japońskiego fizyka Yoshiki Kuramoto, opierając się na wcześniejszych pracach biologa teoretycznego Arta Winfree. To jest ur-model synchronizacji, dziadek schematów matematycznych, które wyjaśniają, w jaki sposób synchronizacja może powstać, często nieubłaganie, we wszystkim, od grup komórek rozrusznika serca do prądów przemiennych.

W najbardziej podstawowym modelu modele systemów synchronicznych muszą opisywać dwa procesy. Jednym z nich jest wewnętrzna dynamika odizolowanego osobnika — w tym przypadku samotnego świetlika w słoiku, którym rządzi fizjologiczna lub behawioralna reguła określająca, kiedy błyska. Drugim jest to, co matematycy nazywają sprzężeniem, czyli sposób, w jaki błysk jednego świetlika wpływa na jego sąsiadów. Dzięki przypadkowym połączeniom tych dwóch części kakofonia różnych agentów może szybko wciągnąć się w zgrabny refren.

Yoshiki Kuramoto, profesor fizyki na Uniwersytecie w Kioto, opracował najsłynniejszy model synchronizacji w latach 70. XX wieku i współodkrył stan chimery w 2001 roku.

Zdjęcie: Tomoaki Sukezane

W opisie w stylu Kuramoto każdy pojedynczy świetlik jest traktowany jako oscylator z nieodłącznym preferowanym rytmem. Wyobraź sobie świetliki z ukrytym wahadłem, które stale się w nich kołysze; wyobraź sobie owada, który błyska za każdym razem, gdy jego wahadło przechodzi przez dolną część łuku. Załóżmy również, że obserwowanie sąsiedniego błysku powoduje szarpnięcie wahadła świetlika nieco do przodu lub do tyłu. Nawet jeśli świetliki na początku nie są ze sobą zsynchronizowane lub ich preferowane wewnętrzne rytmy różnią się indywidualnie, kolektyw rządzący się tymi zasadami często zbiega się w skoordynowany wzór błysków.

Na przestrzeni lat pojawiło się kilka odmian tego ogólnego schematu, z których każda ulepsza zasady wewnętrznej dynamiki i sprzężenia. W 1990 roku Strogatz i jego kolega Rennie Mirollo z Boston College udowodnili, że bardzo prosty zestaw oscylatorów przypominających świetliki prawie zawsze zsynchronizowałby się, gdyby je połączyć, bez względu na to, ile osób uwzględniono. W następnym roku Ermentrout opisał, jak grupy Pteroptyx malakka świetliki w Azji Południowo-Wschodniej mogą synchronizować się, przyspieszając lub spowalniając swoje wewnętrzne częstotliwości. Jeszcze w 2018 roku grupa kierowana przez Gonzalo Marcelo Ramíreza-Ávilę z Wyższego Uniwersytetu San Andrés w Boliwii opracowała bardziej skomplikowany schemat, w którym świetliki przełączały się między stanem „ładowania” a stanem „rozładowania”, podczas którego błysnął.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj