Skupiska ogników: Zimne światło i matematyka upadania w rytm wspólny

Tworzenie światła bez wydawania ciepła

Słońcecznik wydziela światło z biochemii niezwykle wspaniałej nazywanej bioluminescencją. W organie do emisji światła w brzuchu ptaka, enzym luciferaza katalizuje reakcję między małą cząsteczką zwanej luciferinem, tluszczem i ATP, przewodnikiem energii komórkowego. Praktiquement wszystka energia tej reakcji jest wydawana jako światło widzialne zamiast ciepła, dając reakcji skuteczność ponad 90 procent - w porównaniu, lampa ciśnieniowa konwertuje około 5 procent swojej energii na światło widzialne i odpuszcza resztę jako ciepło. Słońcecznik kontroluje czas sygnalizacji przez regulację dostawy tluszczu do reakcji, co efektywnie włącza i wyłącza światło na chcie.

Oświetlenia jako język

Wśród ponad 2000 gatunków ogników każdy z nich wykształcił unikalny wzór oświetlenia, określonej kombinacji trwałości sygnału, koloru, jasności i interwału, który służy jako znak specyficzny dla gatunku. Męskie osobniki ogników zazwyczaj latają, emittując swój wzór oświetlenia; samice tego samego gatunku, zwykle nieruchome na trawie, obserwują ten exact wzór i odpowiadają mu własnym oświetleniem po określonym przez specyficzny dla gatunku opóźnieniu, co pozwala samce na wykrycie jej lokalizacji. Sygnał jest precyzyjny do tego stopnia, że niektóre ośrodkowe ogniki Photuris wykształciły zdolność do imitowania odpowiedniego oświetlenia innych gatunków, luring wrogów i jeżdbi samców szukających partnera.

Zagadka synchronizacji błyskotek

W małym zasięgu gatunków, najbardziej znanych w częściach Azji Południowej i populacji Photinus carolinus na Górnym Smokowcu, tysiące oddzielnego błyskawicznych ptaków ognikowych powoli synchronizują swoje błyski do jednego wspólnego, widocznego z daleka pulsu - ciemno, a potem fala światła przechodzi całą populację, ponownie ciemno, powtarzając się co kilka sekund. W ciągu dekad to wyglądało prawie jak niemożliwe do wyjaśnienia: jak tysiące insektów, bez przywódcy i bez możliwości widzenia więcej niż najbliższych sąsiadów, mogą osiągnąć wspólny rytm w ogóle?

Oscylatory pulsowe: nie jest potrzebny przewód

Odpowiedź, formalnie zdefiniowana matematycznie przez Renato Mirollo i Stevena Strogaz w 1990 roku, brzmi taka, że każdy skupisko ogników działa jako proste oscylatory pulsowe: ma własny wewnętrzną zegar liczący do swojego następnego błysku, a kiedy widzi, że jego sąsiad błyska, przesuwa swój własny zegar o nieznaczne miejsce w przyszłość, przesuwając swój kolejny błysk o nieznacznie wcześniejszy.

faza += 1 / okres // każdy skupisko ogników ma własny zegar liczący do następnego błysku if faza >= 1: błysk(); faza = 0 po widzeniu błysku sąsiada: faza += epsilon * (1 - faza) // przesuń własną fazę w przyszłość, aby błysnąć wcześniejszym Mirollo i Strogatz udowodnili, że pod bardzo ogólne warunki, cała populacja takich oscylatorów jest gwarantowana do osiągnięcia pełnej synchronizacji z prawie dowolnego początkowego konfiguracji, dając wystarczająco dużo czasu i silną dostosowanie między sąsiadami. Nie musi żaden jednostka insecta wiedzieć o ogólnym rytmie grupy ani śledzić żadnej innej jednostki, tylko tych blisko leżących; podzielona impuls jest właściwością emergentną tysiąca lokalnych, prostych przesunięć. Ten sam typ modelu, bardziej ogólnie znany jako model Kuramoto oscylatorów pulsowych, opisuje również, jak komórki pacemakerowe w sercu synchronizują swój rytm i jak generatorzy sił elektrycznych zasynchronizują się na wspólną częstotliwość.

phase += 1 / period          // each firefly's own clock ticks upward each step
if phase >= 1:  flash(); phase = 0

on seeing a neighbour flash:
    phase += epsilon * (1 - phase)   // nudge own phase forward, toward firing sooner

Dlaczego pozostaje rzadkim

Synchronizacja wymaga wystarczającej gęstości ogników w jednym miejscu, aby każdy z nich widział wiarygodnie kilka sąsiadów migocących podczas każdego cyklu, co wyjaśnia, dlaczego pojawia się prawie wyłącznie w gęstych populacjach w kilku konkretnych lasach i brzegach rzek, a nie na każdym dziedzińcu z ognikami. Rozłożenie tej samej liczby owadów słabo nad szerokim polem prowadzi do za słabej i rzadziej występującej sprzężenia między sąsiadami, co uniemożliwia populacji osiągnięcie rytmu, a pokaz powraca do bardziej znanej, niezgody migotania, jaką większość ludzi zna.

Często zadawane pytania