파이어 플라이는 어떻게 동기화 되는가? 연구는 새로운 대답을 제안합니다.

일본 민속 전통에서 그들은 떠나는 영혼이나 침묵하고 열렬한 사랑을 상징합니다. 페루 안데스의 일부 원주민 문화는 그것들을 귀신의 눈으로 본다. 그리고 다양한 서양 문화, 반딧불, 광선 웜 및 기타 생물 발광 딱정벌레에서“어린 시절, 농작물, 운명, 엘프, 엘프, 엘프, 서식지 변화, 서사, 사랑, 행운, 사망률, 매춘, 솔스티스, 스타 및 인식에 대한 말에 대한 물리학 자들은 전 세계에 흩어져있는 약 2,200 종의 종들 중 소수가 동기화 된 문서화 된 능력을 가지고 있습니다. 말레이시아와 태국에서는 Firefly studded 맹그로브 나무가 마치 크리스마스 조명으로 묶인 것처럼 비트를 깜박일 수 있습니다. 애팔 래 치아에서 매년 여름, 필드와 숲을 가로 지르는 섬뜩한 일치 파수. Fireflies의 빛은 인간 관광객의 유혹적인 동료와 군중을 보여 주지만 동기화를 설명하려는 가장 근본적인 시도 중 일부를 불러 일으켰습니다.

Orit Peleg는 물리학 및 컴퓨터 과학을 공부하는 학부생으로서 동기화 된 반딧불의 미스터리를 처음 만났을 때를 기억합니다. 반딧불은 단순한 시스템이 비선형 역학 및 혼돈에서 동기화를 달성하는 방법의 예로 제시되었습니다 , 그녀의 수업이 사용하고있는 수학자 Steven Strogatz의 교과서. Peleg는 이스라엘에서 흔하지 않기 때문에 Firefly를 본 적이 없었습니다.

그녀는“너무 아름다워서 어떻게 든 수년 동안 내 머리에 갇혀 있었다”고 말했다. 그러나 Peleg는 자신의 실험실을 시작하여 콜로라도 대학교와 산타페 연구소에서 생물학에 대한 계산 접근법을 적용했을 때, 그녀는 Fireflies가 많은 수학에 영감을 주었지만 곤충이 실제로 무엇을하는지 설명하는 정량적 데이터는 곤경에 빠졌다는 것을 알게되었습니다.

그녀는 그것을 고치기 시작했습니다. 지난 2 년 동안 Peleg 그룹의 일련의 논문은 여러 연구 현장에서 여러 Firefly 종의 동기에 관한 실제 데이터의 소방 호스를 열었으며 이전 모델러 나 생물 학자보다 훨씬 높은 해상도로 열렸습니다. "Pretty Astonishing"은 피츠버그 대학의 수학적 생물 학자 인 Bard Ermentrout이 팀의 결과를 Quanta 에 묘사 한 방법입니다. . 코네티컷 대학교의 생물학자인 앤드류 모이즈프 (Andrew Moiseff)는“나는 날아 갔다”고 말했다.

이 논문들은 실제 반딧불이 무리가 수십 년 동안 저널과 교과서를 통해 뒤틀린 수학적 이상화에서 벗어난 것으로 나타났습니다. 예를 들어, Firefly Synchrony의 거의 모든 모델은 각 Firefly가 자체 내부 메트로놈을 유지한다고 가정합니다. 그러나 Peleg의 그룹이 3 월에 게시 한 프리 인쇄는 적어도 하나의 종에서 개별 소방차가 본질적인 리듬이 없으며, 집단적 비트는 많은 번개 벌레의 으스스한 시너지에서만 모인 것으로 나타났습니다. 5 월에 처음 업로드하고 지난주에 업데이트 된 훨씬 더 최근의 프리 인쇄는 수학자들이 키메라 상태라고 부르는 희귀 한 유형의 동기를 기록했습니다.

Firefly Biologists는 새로운 방법이 Fireflies의 과학과 보존을 재구성하기를 희망합니다. 한편 Strogatz가 자신의 교과서에 묘사 한 것과 같은 동기 이론을 고안하는 수학자들은 지저분한 실제 동기화 자로부터 많은 실험적인 피드백없이 작동했습니다. Cornell University의 수학 교수 인 Strogatz는“이것이 큰 돌파구입니다. "이제 우리는 루프를 닫을 수 있습니다."

동기의 어려운 증거

동남아시아에서 일제히 타오르는 소란에 대한 보고서는 수세기 동안 서방 과학 담론으로 돌아갔다. kelip-kelip 이라고 불리는 수천 개의 반딧불이 말레이시아에서 (그들의 이름은 반짝이는 일종의 시각적 옥외 요아 - 강변 나무에 정착 할 수 있습니다. 영국의 외교관 투어 태국은 1857 년에“그들의 빛이 흔들리고 공동 동정에 빠져 들었다”고 말했다.

모든 사람 이이 보고서를 받아 들인 것은 아닙니다. “곤충 사이에서 그러한 일이 일어나기 위해서는 모든 자연 법칙과 상반됩니다.”Journal Science에게 보내는 한 편지 1917 년에 불만을 제기하면서 명백한 효과는 대신 시청자의 비자발적 깜박임으로 인해 발생했다고 주장했다. 그러나 1960 년대에는 소방관을 방문한 소방관 연구원들이 맹그로브 늪의 현지 보트 맨이 오랫동안 알고있는 정량 분석을 통해 확인했습니다.

1990 년대에 Lynn Faust라는 테네시 자연 주의자가 Jon Copeland라는 과학자의 자신감있는 주장을 읽었을 때 1990 년대에 비슷한 시나리오가 진행되었습니다. 파우스트는 그때 그녀가 인근 우즈에서 수십 년 동안보고 있던 것이 놀라운 일이라는 것을 알고있었습니다.

Faust는 Copeland와 그의 공동 작업자 인 Moiseff를 초대하여 Great Smoky Mountains에서 Photinus Carolinus 라는 종을 보았습니다. . 남성 소방차의 구름은 숲과 개간을 채우고 인간의 높이에 부유합니다. 단단한 조정으로 깜박이는 대신,이 반딧불은 몇 초 안에 빠른 깜박임을 방출 한 다음 또 다른 버스트를 잃기 전에 오랫동안 여러 번 조용히 가십시오. (유명인들이 정기적으로 나타나기를 기다리는 파파라치 군중이 정기적으로 나타나고, 각각의 모습에 사진을 찍고, 가동 중지 시간에 엄지 손가락을 돌리는 것을 상상해보십시오.)

Copeland와 Moiseff의 실험은 분리 된 p을 보여 주었다. Carolinus Fireflies는 실제로 인근의 Firefly (또는 깜박임 LED)와 함께 근처 항아리로 비트에서 플래시를 시도했습니다. 이 팀은 또한 플래시를 기록하기 위해 필드와 포레스트 클리어링의 가장자리에 고감도 비디오 카메라를 설정했습니다. Copeland는 프레임별로 푸티 지 프레임을 통과하여 매 순간에 몇 개의 소방차가 조명되었는지 계산했습니다. 이 힘들게 수집 된 데이터에 대한 통계적 분석은 장면에서 카메라의 시야 내의 모든 반딧불이 실제로 정기적이고 상관 관계가있는 간격으로 플래시 버스트를 방출했음을 증명했습니다.

20 년 후, Peleg와 그녀의 박사 후 물리학 자 Raphaël Sarfati가 Firefly 데이터를 수집하기 시작했을 때 더 나은 기술을 사용할 수있었습니다. 그들은 몇 피트 떨어진 두 개의 GoPro 카메라 시스템을 설계했습니다. 카메라는 360도 비디오를 찍었으므로 측면에서뿐만 아니라 내부에서 파이어 플라이 떼의 역학을 포착 할 수 있습니다. Sarfati는 손으로 플래시를 계산하는 대신 두 카메라에 잡힌 파이어 플라이 플래시에서 삼각 측량을 할 수있는 처리 알고리즘을 고안 한 다음 각 깜박임이 발생했을 때뿐만 아니라 3 차원 공간에서 발생한 곳을 기록했습니다.

Sarfati는 2019 년 6 월 테네시 에서이 시스템을 처음으로 가져 왔습니다. Carolinus 파우스트가 유명하게 만든 반딧불. 그의 눈으로 광경을 본 것은 처음이었습니다. 그는 아시아의 Firefly Synchrony의 단단한 장면과 같은 것을 상상했지만 테네시 버스트는 약 12 ​​초마다 약 4 초에 걸쳐 최대 8 개의 빠른 플래시가 버스트를 냈습니다. 그러나 그 혼란은 흥미로웠다. 물리학 자로서, 그는 야생 변동이있는 시스템이 완벽하게 행동하는 것보다 훨씬 더 유익한 것으로 판명 될 수 있다고 생각했다. "복잡했고, 어떤 의미에서는 혼란 스러웠지만 아름답습니다."

무작위이지만 교감 성 깜박임

그녀의 학부생 브러시와 동기화 된 반딧불이에서 Peleg는 먼저 일본 물리학 자 요시키 쿠라모토 (Yoshiki Kuramoto)의 공식화 된 모델을 통해 이론적 생물 학자 인 Art Winfree의 초기 작업을 제작 한 모델을 통해 그들을 이해하는 법을 배웠습니다. 이것은 인간의 마음의 맥박 조정기 세포 그룹에서 교대 전류에 이르기까지 동기가 어떻게 발생할 수 있는지 설명하는 수학적 체계의 할아버지 인 동기화의 우르 모델입니다.

가장 기본적으로 동기 시스템 모델은 두 가지 프로세스를 설명해야합니다. 하나는 고립 된 개인의 내부 역학입니다.이 경우 항아리에있는 고독한 소방차는 깜박일 때를 결정하는 생리적 또는 행동 규칙에 의해 지배됩니다. 두 번째는 수학자들이 커플 링이라고 부르는 것입니다. 이 두 부분의 우연한 조합으로, 다른 에이전트의 카코 포니는 깔끔한 코러스로 빠르게 끌어 당길 수 있습니다.

쿠라 모토-esque 설명에서, 각각의 개별 파이어 플라이는 고유 선호 리듬을 갖는 발진기로 취급된다. 파이어 플라이는 숨겨진 진자가 꾸준히 스윙하는 것으로 보입니다. 진자가 아크의 바닥을 휩쓸 때마다 버그가 깜박이라고 상상해보십시오. 또한 인접한 플래시를 보는 것이 Firefly의 페이스 설정 진자를 조금 앞뒤로 kist다고 가정합니다. 파이어 플라이가 서로 동기화되지 않거나 선호하는 내부 리듬이 개별적으로 다양하더라도,이 규칙에 의해 통제되는 집단은 종종 조정 된 플래시 패턴으로 수렴됩니다.

이 일반 체계에 대한 몇 가지 변형이 수년에 걸쳐 등장하여 각각 내부 역학 및 커플 링 규칙을 조정했습니다. 1990 년, Strogatz와 그의 동료 인 Boston College의 Rennie Mirollo는 매우 간단한 파이어 플라이와 같은 발진기 세트가 얼마나 많은 개인 수에 관계없이 상호 연결되면 거의 항상 동기화 될 것이라는 것을 증명했습니다. 내년에 Ermentrout은 pteroptyx malaccae의 그룹 의 그룹을 설명했습니다. 동남아시아의 반딧불은 내부 주파수 속도를 높이거나 속도로 낮추어 동기화 할 수 있습니다. 최근 2018 년에, 볼리비아의 산 안드레 대학교 (San Andrés)의 고등학교 (University of San Andrés)의 곤잘로 마르셀로 라미레즈-킬라 (Gonzalo Marcelo Ramírez-ávila)가 이끄는 그룹은 소방관이“충전”상태와 플래시 된“배출”상태 사이에서 앞뒤로 전환 한 더 복잡한 계획을 고안했다.

그러나 Peleg와 Sarfati의 카메라가 Burst-then Wait Photinus Carolinus 에서 3 차원 데이터를 캡처하기 시작했을 때 2019 년 그레이트 스모키에서 불파리에서 그들의 분석은 새로운 패턴을 드러 냈습니다.

하나는 Faust와 다른 Firefly Naturalists가 오랫동안보고 한 무언가의 확인이었습니다. 플래시의 파열은 종종 한 곳에서 시작하여 초당 약 0.5 미터의 숲을 통과합니다. 전염성 잔물결은 반딧불의 커플 링이 전 세계 (전체 떼가 연결되어 있음)가 아니거나 순전히 현지 (각 파이어 플라이가 가까운 이웃에만 관심이 있음)가 아니라고 제안했습니다. 대신, 소방차는 거리 척도의 혼합으로 다른 반딧불에주의를 기울이는 것처럼 보였습니다. Sarfati는 파이어 플라이가 깨지지 않은 시선 내에서 발생하는 플래시 만 볼 수 있기 때문일 수 있다고 Sarfati는 말했다. 숲에서 식물은 종종 방해가됩니다.

그러나 팀이 15 개 이상의 반딧불로 버려지면 텐트 전체가 약 12 ​​초 간격으로 집단 플래시 버스트로 불이 켜졌습니다. 동기와 그룹 주기성은 파이어 플라이의 순전히 출현 한 제품이 함께 어울렸다. 이것이 어떻게 일어날 수 있는지 결정하기 위해 Peleg Group은 Purdue University의 물리학 자 Srividya Iyer-Biswas와 Santa Fe Institute에 도움을 요청했습니다. 하룻밤 사이에 Iyer-Biswas의 박사 과정 학생 Kunaal Joshi는 현장 데이터를 분석하고 출현주기를위한 새로운 모델을 개발했으며, 과학자들은 지난 봄 Biorxiv.org 사전 프린트 서버에 초안 용지로 업로드했습니다.

방금 플래시가 터지는 고립 된 파이어 플라이를 상상해보십시오. 다음 규칙을 고려하십시오. 지금 격리하면 다시 플래시하기 전에 임의의 간격을 기다릴 것입니다. 그러나 곤충이 가벼운 기관을 재충전 해야하는 최소 대기 시간이 있습니다. 이 파이어 플라이는 또한 피어 압력에 취약합니다. 다른 파이어 플라이가 깜박이기 시작하는 것을 보면 물리적으로 할 수있는 한 깜박일 것입니다.

이제 파열 직후 조용한 어둠 속에서 반딧불 전체를 묘사하십시오. 각각은 충전 기간보다 임의의 대기 시간을 더 길게 선택합니다. 그러나 먼저 번쩍이는 사람은 다른 모든 사람들이 즉시 뛰어 들어가도록 영감을줍니다. 이 전체 프로세스는 필드가 어두워 질 때마다 반복됩니다. 소방차의 수가 증가함에 따라, 적어도 하나는 생물학적으로 가능한 빨리 무작위로 다시 플래시를 선택할 가능성이 높아지고 나머지를 시작하게 될 것입니다. 결과적으로 버스트 사이의 시간은 최소 대기 시간으로 단축됩니다. 이 장면에서 gawking하는 모든 과학자들은 어둠 속으로 빛나는 빛의 꾸준한 그룹 리듬처럼 보이고 빛으로 분출하는 어둠이 무엇인지 알 수 있습니다.

Peleg 그룹의 두 번째 사전 인쇄는 또 다른 이국적인 패턴을 발굴했습니다. 사우스 캐롤라이나의 Congaree National Park에서 Peleg는 팀이 Firefly Photuris Frontalis 동기화에서 장비를 훈련시킬 때 이상한 것을 발견했습니다. “나는 내 눈의 모퉁이에서 실제로 비트가 아닌 작은 파이어 플라이가 있다는 것을 기억합니다. 그러나 그는 여전히 시간을 잘 지키지 않았다”고 말했다.

이 팀의 분석에 따르면 소방관의 주요 합창이 리듬으로 번쩍 였지만 완고한 특이 치는 연주를 거부했습니다. 그들은 같은 공간을 공유하고 자신의 시대와 함께 번쩍 였지만 주변 교향곡과 단계가 없었습니다. 때때로 이상치는 서로 동기화되는 것처럼 보였다. 때때로 그들은 단지 비동기식으로 번쩍였습니다. Peleg의 그룹은 이것을 Kuramoto와 그의 박사후 Dorjsuren Battogtokh가 2001 년에 처음 언급 한 동기의 형태 인 키메라 상태로 설명하고 2004 년 노스 웨스트 대학의 수학자 다니엘 아브람들이 수학적으로 이상화 된 형태로 탐구했습니다. 신경 과학자들의 몇 가지 보고서는 특정 실험 조건 하에서 뇌 세포의 활동에서 이런 종류의 키메라 동기를 보았지만, 그렇지 않으면 지금까지는 본질적으로 관찰되지 않았다.

자연이 왜이 호지 포지 동기화 상태의 진화를 선호하는지는 아직 명확하지 않습니다. 그러나 기본 동기조차도 항상 진화론적인 미스터리를 제기했습니다. 혼합의 혼합은 어떻게 개인의 남성이 잠재적 인 친구에게 눈에 띄는 데 어떻게 도움이됩니까? Peleg는 남성뿐만 아니라 여성 반딧불의 행동 패턴을 보는 연구가 유익 할 수 있다고 제안했습니다. 그녀의 그룹은 p로 그렇게하기 시작했습니다. Carolinus 파이어 플라이이지만 아직 키메라가 발생하기 쉬운 p. Frontalis 종.

Lightning-Bug Computer Science

모델러의 경우, 경주는 이제 새롭고 개선 된 프레임 워크에서 관찰 된 파이어 플라이 패턴을 캡슐화하기 위해 계속됩니다. Ermentrout에는 검토중인 논문이 있습니다. :재충전을 위해 의무적 최소값을 넘어서는 순전히 임의의 시간을 기다리는 대신 버그가 시끄럽고 불규칙한 발진기라고 가정 해 봅시다. 파이어 플라이는 함께 모일 때만 깔끔하게주기적인 깜박임처럼 행동하기 시작할 수 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션 에서이 모델은 Peleg Group의 데이터와도 일치합니다. Ermentrout은“우리가 프로그래밍하지 않더라도 파도와 같은 것들이 나타납니다.

생물 학자들은 Peleg와 Sarfati의 저렴한 카메라 및 조정 시스템이 Firefly 연구를 발전시키고 민주화하는 데 큰 도움이 될 수 있다고 Biologists는 말합니다. 소방관은 야생에서 공부하기가 어렵습니다. 이것은 많은 번개 벌레 종들이 멸종 위기에 있다는 것을 두려워하는 반면에도 불필요한 인구의 범위와 풍부함을 측정합니다. 새로운 설정을 통해 Firefly-Flashing 데이터를보다 쉽게 ​​수집, 분석 및 공유 할 수 있습니다.

2021 년에 Sarfati는이 시스템을 사용하여 애리조나에서 지역 종 photinus knulli 라는 보고서를 확인했습니다. 충분한 소방차가 모일 때 동기화 할 수 있습니다. 올해 Peleg 's Laboratory는 카메라 시스템 10 부를 미국 전역의 Firefly 연구원들에게 보냈습니다. 그들은 지난 여름에 8 종으로 제작 된 Light 쇼의 데이터를 가져오고 있습니다. Peleg Lab의 기계 학습 연구원 그룹은 보존 노력을 강화하는 데 주목하면서 기록 된 영상의 플래시 패턴에서 종을 식별하기 위해 알고리즘을 훈련 시키려고 노력하고 있습니다.

소방차의 이상적인 모델은 수십 년 동안 수학적 이론에 영감을 주었다. Peleg는 이제 신흥이 더 미묘한 진실이 비슷한 결과가 될 것으로 기대합니다.

Moiseff는 그 희망을 공유합니다. Fireflies는“우리가 존재하기 전에 컴퓨터 과학을 잘 해왔다”고 말했다. 그들이 동기화하는 방법을 배우는 것은 다른 생물에서도 자기 조직 행동을 더 잘 이해할 수 있습니다.

편집자 주 : Steven Strogatz는 의 호스트입니다 Quanta s 왜 팟 캐스트와 의 멤버의 기쁨 Quanta 의 자문위원회.

수정 :2022 년 9 월 21 일
개별 동남아시아 소방관은 쿠라 모토 모델과 일치하여 고유 진동 기간을 가지고 있다는 설명이 추가되었습니다. 이 기사는 또한 출현주기를위한 새로운 모델을 개발하는 데있어서 Joshi의 중요한 기여 와이 연구 분야에 Winfree와 Battogtokh의 과거 기여를 포함하도록 수정되었습니다.