日本の民間伝承では、彼らは旅立つ魂や静かで熱烈な愛を象徴しています。ペルーのアンデスの一部の先住民族の文化では、それらを幽霊の目と見なしています。また、西洋のさまざまな文化において、ホタル、ツチボタル、その他の生物発光する甲虫は、目もくらむような、時には矛盾する一連の比喩的な連想と結び付けられてきました。死亡率、売春、夏至、星、そして言葉と認知の儚さ」と 2016 年のあるレビューでは指摘されています。
物理学者がホタルを崇拝する理由は、どこか神秘的なように思えるかもしれません。世界中に散らばる約 2,200 種のうち、一握りのホタルが同調して発光することが記録されています。マレーシアとタイでは、ホタルがちりばめられたマングローブの木が、まるでクリスマスのイルミネーションで飾られているかのようにビートに合わせて点滅することがあります。アパラチアでは毎年夏、野原や森に不気味な調和の波がさざ波を立てます。ホタルの光は、ルアーの仲間や観光客の群れを示していますが、同調を説明するための最も基本的な試みのいくつかを刺激するのにも役立ちました。同期は、非常に単純な個々の部分からでも精巧な調整が現れる錬金術です.
Orit Peleg は、物理学とコンピューター サイエンスを勉強している学部生として同期ホタルの謎に初めて出会ったときのことを覚えています。ホタルは、非線形ダイナミクスとカオスで単純なシステムが同期を達成する方法の例として提示されました 、彼女のクラスが使用していた数学者スティーブン・ストロガッツの教科書。彼女が育ったイスラエルではホタルはめったに見られないので、ペレグはホタルを見たことがありませんでした。
「とても美しいので、何年も何年も私の頭に残っていました」と彼女は言いました.しかし、ペレグがコロラド大学とサンタフェ研究所で計算による生物学へのアプローチを適用する自分の研究室を開始するまでに、ホタルは多くの数学に影響を与えましたが、昆虫が実際に何をしているかを説明する定量的データは
彼女はそれを修正するために着手しました。過去 2 年間で、Peleg のグループからの一連の論文は、複数の研究サイトで複数のホタル種の同期性に関する実世界のデータの消防ホースを開き、以前のモデラーや生物学者が管理していたよりもはるかに高い解像度で行われました。ピッツバーグ大学の数学生物学者 Bard Ermentrout がチームの結果をQuantaに説明した方法は、「かなり驚くべきこと」です。 . 「私は圧倒されました」と、コネチカット大学の生物学者アンドリュー・モイセフは言いました。
これらの論文は、本物のホタルの群れが、何十年にもわたって雑誌や教科書を飛び交った数学的理想化から逸脱していることを立証しています。たとえば、これまでに作成されたホタル同期のほぼすべてのモデルは、各ホタルが独自の内部メトロノームを維持していると想定しています。しかし、ペレグのグループが3月に投稿したプレプリントは、少なくとも1つの種では、個々のホタルに固有のリズムがないことを示しており、集合的なビートは、集まった多くの稲妻の不気味な相乗効果からのみ発生すると仮定しました. 5 月に最初にアップロードされ、先週更新されたさらに最近のプレプリントでは、数学者がキメラ状態と呼ぶまれなタイプの同期性が文書化されました。
ホタルの生物学者は、新しい方法がホタルの科学と保護を再形成することを望んでいます。一方、ストロガッツが彼の教科書で説明したようなシンクロニーの理論を考案した数学者は、乱雑な現実世界のシンクロナイザーからの実験的なフィードバックをあまり受けずに運用してきました。 「これは大きなブレークスルーです」と、コーネル大学の数学教授である Strogatz 氏は述べています。 「これで、ループを閉じ始めることができます。」
とらえどころのない同期性の証明
東南アジアでホタルが一斉に燃え上がるという報告は、何世紀にもわたって西側の科学的言説に反映されてきました。 kelip-kelipと呼ばれる何千ものホタル マレーシアでは、彼らの名前はきらめきの一種の視覚的なオノマトペです.川沿いの木に定着することができます. 1857 年にタイを訪れたイギリスの外交官は、「彼らの光は燃え上がり、共通の共感によって消されます。ある瞬間、すべての葉と枝がダイヤモンドのような火で飾られて見えます。」
誰もがこれらの報告を受け入れたわけではありません。 「昆虫の間でそのようなことが起こるのは、すべての自然法則に反することは確かです」とジャーナル Science に宛てた一通の手紙 は 1917 年に不平を言い、見かけの効果は代わりに視聴者の無意識のまばたきによって引き起こされたと主張しました。しかし、1960 年代までに、ホタル研究者を訪問することで、マングローブ湿地の地元の船頭が長い間知っていたことを定量分析によって確認しました。
同様のシナリオが 1990 年代に繰り広げられました。リン ファウストという名前のテネシー州の博物学者が、ジョン コープランドという名前の科学者が自信を持って発表した主張を読み、北アメリカには同調するホタルは存在しなかったというものです。ファウストはその時、彼女が近くの森で何十年も見続けてきたものが驚くべきものであることを知っていました.
ファウストは、コープランドと彼の協力者であるモイセフを、グレート スモーキー マウンテンに生息するフォティヌス カロリヌスと呼ばれる種に会うよう招待しました。 .オスのホタルの雲が森や空き地を埋め尽くし、人間の高さほどの高さに浮かんでいます。これらのホタルは、緊密に連携してまばたきをする代わりに、数秒以内に素早い閃光を放ち、その後、別のバーストを失う前にその数倍静かになります。 (パパラッチの群れが一定の間隔で有名人の登場を待ち、登場するたびに写真を撮り、ダウンタイムに親指をいじっていると想像してください。)
Copeland と Moiseff の実験では、P が分離されていることが示されました。カロリナス ホタルは実際に、近くの瓶の中で隣接するホタル (または LED の点滅) に合わせて点滅しようとしました。チームはまた、閃光を記録するために、野原や森林伐採地の端に高感度ビデオ カメラを設置しました。コープランドはフッテージをフレームごとに調べ、各瞬間に照らされたホタルの数を数えました。この入念に収集されたデータの統計分析により、あるシーンでカメラの視野内にあるすべてのホタルが、実際に一定の相関間隔でフラッシュ バーストを放出したことが証明されました。
20 年後、ペレグと彼女のポスドクである物理学者のラファエル・サルファティがホタルのデータ収集に着手したとき、より優れた技術が利用可能でした。彼らは、数フィート離して配置された 2 台の GoPro カメラのシステムを設計しました。カメラは 360 度のビデオを撮影したため、ホタルの群れのダイナミクスを横からだけでなく内部からも捉えることができました。手動で閃光を数える代わりに、Sarfati は、両方のカメラで捉えたホタルの閃光を三角測量し、各瞬きがいつ発生したかだけでなく、3 次元空間で発生した場所を記録できる処理アルゴリズムを考案しました。
Sarfati は、2019 年 6 月にテネシー州の P.カロリナス ファウストが有名にした蛍。その光景を自分の目で見たのは初めてだった。彼はアジアのホタルの同期のタイトなシーンのようなものを想像していましたが、テネシー バーストはもっと乱雑で、約 4 秒間に最大 8 回のクイック フラッシュのバーストが約 12 秒ごとに繰り返されました。それでも、その乱雑さは刺激的でした。物理学者として、彼は激しい変動を伴うシステムは、完全に動作するシステムよりもはるかに有益であると証明できると感じました。 「それは複雑で、ある意味で混乱を招きましたが、美しいものでもありました」と彼は言いました。
ランダムだが同情的なフラッシャー
ペレグは大学時代に同調するホタルを扱った中で、理論生物学者のアート・ウィンフリーによる以前の研究に基づいて、日本の物理学者倉本芳樹によって定式化されたモデルを通じてホタルを理解することを最初に学びました。これは同調性の元モデルであり、人間の心臓のペースメーカー細胞のグループから交流電流に至るまで、どのようにして同調性がしばしば容赦なく発生するかを説明する数学的スキームの元祖です。
最も基本的な同期システムのモデルでは、2 つのプロセスを記述する必要があります。 1 つは、孤立した個人の内部ダイナミクスです。この場合は、瓶の中で孤独なホタルであり、いつ点滅するかを決定する生理学的または行動規則によって支配されています。 2 つ目は、数学者が結合と呼ぶもので、1 つのホタルの閃光が隣のホタルに影響を与える方法です。これら 2 つの部分の偶然の組み合わせにより、さまざまなエージェントの不協和音は、すぐにきちんとしたコーラスに引き込まれます。
倉本風の説明では、個々のホタルは固有の好みのリズムを持つ振動子として扱われます。ホタルは、ホタルの中で安定して揺れる隠れた振り子を持っていると想像してください。振り子が弧の底を通過するたびにバグが点滅することを想像してみてください。また、近くのフラッシュを見て、ホタルのペース設定の振り子を少し前後に引っ張ったとします。ホタルが互いに同期していなくても、または好みの内部リズムが個々に異なっていても、これらのルールによって管理される集団は、調整されたフラッシュパターンに収束することがよくあります.
この一般的なスキームのいくつかのバリエーションが何年にもわたって出現しており、それぞれが内部ダイナミクスとカップリングのルールを微調整しています。 1990 年、Strogatz と彼の同僚であるボストン カレッジの Rennie Mirollo は、非常に単純なホタルのようなオシレータのセットが、それらを相互接続すれば、含まれる個体の数に関係なく、ほぼ常に同期することを証明しました。翌年、Ermentrout は Pteroptyx malaccae のグループについて説明しました。 東南アジアのホタルは、内部周波数を加速または減速することで同期できます。ごく最近の 2018 年、ボリビアのサン アンドレス高等大学のゴンサロ マルセロ ラミレス アビラが率いるグループは、ホタルが「充電」状態と「放電」状態の間を行ったり来たりする、より複雑なスキームを考案しました。
しかし、Peleg と Sarfati のカメラがバースト後待機 Photinus carolinus から 3 次元データをキャプチャし始めたとき 2019 年のグレート スモーキー山脈のホタルの分析により、新しいパターンが明らかになりました。
1 つは、ファウストや他のホタル博物学者が以前から報告していたことの確認でした。閃光のバーストは、多くの場合、1 か所で始まり、その後、毎秒約 0.5 メートルの速さで森の中をカスケードします。伝染性の波紋は、ホタルの結合がグローバル (群れ全体が接続されている) でも純粋にローカル (各ホタルが近くの隣人だけを気にかけている) でもないことを示唆していました。代わりに、ホタルはさまざまな距離スケールで他のホタルに注意を払っているように見えました。これは、ホタルが途切れのない視線内で発生する閃光しか見ることができないためである可能性があると、Sarfati 氏は述べています。森林では、植生が邪魔になることがよくあります。
P.カロリナス ホタルはまた、倉本風味のモデルの中核となる前提を軽視しているように見える：固有の周期性でそれぞれの閃光を発する東南アジアのホタルとは異なり、テネシーホタルはそうではない. Peleg と Sarfati がシングル P.カロリナス テントの中でホタルを捕まえると、厳密なリズムに従うのではなく、ランダムにフラッシュのバーストを発しました。ほんの数秒待つこともあれば、数分待つこともありました。 「それはすでに、既存のすべてのモデルの宇宙からあなたを連れ出します」とストロガッツは言いました。しかし、チームが15匹以上のホタルを投棄すると、テント全体が約12秒間隔で集団的なフラッシュバーストで明るくなりました.シンクロニーとグループの周期性は、一緒にぶらぶらしているホタルの純粋な創発的な産物でした.これがどのように起こるかを判断するために、ペレグのグループは、パデュー大学とサンタフェ研究所の物理学者 Srividya Iyer-Biswas に助けを求めました。 Iyer-Biswas の博士課程の学生である Kunaal Joshi は、フィールド データを分析し、創発的な周期性の新しいモデルを開発しました。科学者は、昨年の春にドラフト ペーパーとして biorxiv.org プレプリント サーバーにアップロードしました。
閃光を放ったばかりの孤立したホタルを想像して、次のルールを考えてみてください。今すぐ隔離すると、再び点滅する前にランダムな間隔で待機します。ただし、昆虫が光器官を再充電するために必要な最小待機時間があります。このホタルは仲間からの圧力にも影響されやすいです。別のホタルが光り始めているのを見ると、物理的に可能な限り、それも光ります。
バースト直後の静かな暗闇の中でホタルのフィールド全体を想像してみてください.それぞれが充電期間よりも長いランダムな待機時間を選択します。ただし、最初に点滅する人は誰でも、他のすべての人にすぐに飛び込むように促します.フィールドが暗くなるたびに、このプロセス全体が繰り返されます。ホタルの数が増えるにつれて、生物学的に可能な限りすぐに、少なくとも 1 つのホタルが再び発光することをランダムに選択する可能性が高くなり、それが残りのホタルを引き立たせます。その結果、バースト間の時間が最小待機時間に向かって短縮されます。このシーンをじっと見つめている科学者は誰でも、光が暗闇に転がり込み、その後、暗闇が光で爆発するという一定のグループリズムのように見えるものを見るでしょう.
Peleg グループの 2 番目のプレプリントでは、別のエキゾチックなパターンが明らかになりました。サウスカロライナ州のコンガリー国立公園で、ペレグ氏のチームがシンクロするホタル Photuris frontalis で機材を訓練していたとき、奇妙なことに気付きました。 「目の隅に、本当に調子が悪い小さなホタルがいるのを見たのを覚えています。しかし、彼はまだ時間厳守です」と彼女は言いました.
チームの分析によると、ホタルの主な合唱がリズムを刻んでいる間、頑固な外れ値は一緒に演奏することを拒否した.彼らは同じ空間を共有し、それぞれのピリオドで閃きましたが、周囲の交響曲とは位相がずれていました。外れ値が互いに同期しているように見えることもありました。非同期で点滅することもあります。ペレグのグループは、これをキメラ状態と表現しています。これは、2001 年に倉本と彼のポスドクである Dorjsuren Battogtokh によって最初に指摘され、2004 年にストロガッツとノースウェスタン大学の数学者ダニエル エイブラムスによって、数学的に理想化された形式で調査された同期の形式です。神経科学者からのいくつかの報告では、特定の実験条件下で脳細胞の活動にこの種のキメラ同調性が見られたと主張していますが、それ以外は今まで自然界では観察されていません.
自然界が、より均一な同期ではなく、この寄せ集めの同期状態の進化を好む理由はまだ明らかではありません。しかし、基本的な同調性でさえ、常に進化の謎を提起してきました:ブレンドインは、個々のオスが潜在的な配偶者に対してどのように目立つのに役立つのでしょうか?ペレグは、オスだけでなくメスのホタルの行動パターンを調べた研究が有益かもしれないと示唆した.彼女のグループは、P.カロリナス ホタルですが、まだキメラになりやすい P.前頭筋
稲妻バグ コンピュータ サイエンス
モデラーにとっては、観測されたホタルのパターンを新しく改善されたフレームワークにカプセル化する競争が始まっています。 Ermentrout は、Photinus carolinus の異なる数学的記述を提供するレビュー中の論文を持っています :再充電のために強制的な最小値を超えて純粋にランダムな時間を待つ代わりに、バグは単にノイズの多い不規則な振動子であると仮定しますか?ホタルは、集まったときにのみ、きれいに定期的に点滅するように動作し始める可能性があります.コンピューター シミュレーションでも、このモデルはペレグ グループのデータと一致します。 「プログラムしていませんが、波のようなものが現れます」と Ermentrout 氏は言います。
Peleg と Sarfati の安価なカメラとアルゴリズムのシステムは、ホタル研究の進歩と民主化に大いに役立つ可能性がある、と生物学者は言う。ホタルを野生で研究するのは困難です。ホタルの閃光で種を区別することは、熱心な研究者や筋金入りの愛好家以外には難しいからです。これにより、ホタルの個体数の範囲と個体数を測定することは、多くの雷虫種が絶滅への道を進んでいるという懸念が高まっているにもかかわらず、困難になっています。新しい設定により、蛍の光るデータの収集、分析、共有が容易になります。
2021 年、Sarfati はこのシステムを使用して、地元の種 Photinus knulli というアリゾナからの報告を確認しました。 十分な数のホタルが集まったときに同期できます。今年、ペレグの研究所は、カメラ システムのコピーを 10 個、米国中のホタル研究者に送りました。彼らは現在、この夏に行われた 8 種のホタルの光のショーからデータを取得しています。保護活動の促進を目指して、ペレグ研究所の機械学習研究者グループは、記録された映像のフラッシュ パターンから種を識別するアルゴリズムをトレーニングしようとしています。
ホタルの理想化されたモデルは、何十年にもわたって数学的理論に影響を与えてきました。ペレグは、現在明らかになっているより微妙な真実が同様に重要であることを望んでいます.
Moiseff はその希望を分かち合います。ホタルは「私たちが存在する前からコンピューター サイエンスを行ってきました」と彼は言います。それらがどのように同期するかを学ぶことは、他の生物の自己組織化行動をよりよく理解することにつながる可能性があります.
編集者注: スティーブン・ストロガッツは のホストです クォンタの Joy of Why ポッドキャストおよび のメンバー Quanta の諮問委員会。
訂正:2022 年 9 月 21 日
個々の東南アジアのホタルには、倉本モデルに沿って固有の振動周期があるという説明が追加されました。この記事はまた、創発的周期性の新しいモデルの開発における Joshi の重要な貢献と、この研究分野に対する Winfree と Battogtokh の過去の貢献を含めるように修正されました。
