数学生物学家最新研究萤火虫如何同步闪光同

一些萤火虫有一种神秘的天赋，可以同步地闪闪发光。成千上万只萤火虫同步闪烁，吸引着我们许多人，也吸引着科学家们。

萤火虫会自发地同时闪烁；将节拍器放在一个板上，过一段时间后，几个节拍器的节奏变得完全一样；剧院中鼓掌的观众在没人要求的情况下，鼓掌频率竟自发地变得一致。这些就是看似常见的同步现象。

这种同步现象的内在规律能否被精准计算，进而被应用到复杂的同步现象或同步任务中？这是数学家和生物学家们一直在探索的问题。

最新研究对此提出了一个新的答案。科学家们通过实地考察研究，提出了萤火虫的同步闪光新的解释，并证实了一种新的"嵌合"同步形式是自然发生的。新的观察结果正在颠覆人们长期认为的关于这种同步性如何发生的解释，至少对某些物种来说是这样。

科罗拉多大学计算生物学家、奥利特·佩莱（OritPeleg），和她实验室的研究团队开发了一个更复杂的系统，用于捕捉关于野外萤火虫闪光的高分辨率数据。在过去的两年里，该团队的一系列论文打开了关于多个研究地点的多个萤火虫物种的同步性的真实世界数据库，而且分辨率比以前的建模者或生物学家所做的要高得多。匹兹堡大学的数学生物学家BardErmentrout评价该团队的成果时说："相当令人惊讶"。"康涅狄格大学的生物学家AndrewMoiseff说："我被震惊了。

论文：萤火虫集体同步闪光的突现周期性

这些论文确定了真实的萤火虫群与几十年来在期刊和教科书中闪现的数学理想化相背离。例如，几乎所有关于萤火虫同步性的模型都假设每只萤火虫都有自己的内部节拍器。然而，佩莱团队在3月发布的一篇论文显示，至少在一个物种中，单个萤火虫没有内在的节奏，它认为集体的节拍只出现在许多闪电虫聚集在一起的幽灵般的协同作用上。最近的一篇论文记录了一种罕见的同步类型，数学家称之为奇美拉状态（chimerastate，又称：嵌合状态），在现实世界中，除了精心设计的实验之外，几乎从未观察到这种状态。

论文：“同步萤火虫中的嵌合状态”

难以捉摸的同步性证明

几个世纪以来，萤火虫如何同步闪光一直是个谜。

夜间萤火虫在森林中移动的合成镜头摄影，它们的同步闪光以条纹的形式出现。Photinuscarolinus物种的萤火虫是已知的少数几个能同步闪光的物种之一。这张萤火虫的照片是由多张30秒的曝光照片合并而成的。

佩莱团队开始收集萤火虫数据时，有了更好的技术。他们设计了一个由两个GoPro相机组成的系统，相隔几英尺。因为这些相机可以拍摄度的视频，他们可以从内部而不是从侧面捕捉萤火虫群的动态。研究人员设计了处理算法，可以对两台相机捕捉到的萤火虫闪光进行三角测量，然后不仅记录每个眨眼发生的时间，还记录它在三维空间中的位置，而不是用手计算闪光。

藏本模型（Kuramotomodel）是一种用来描述同步的数学模型，由京都大学的物理学教授藏本由纪（KuramotoYoshiki）在20世纪70年代开发的最有名的同步化模型，并在年共同发现了嵌合状态。具体说来，它描述了大量耦合振子的同步行为，从人类心脏的起搏器细胞群到交变电流。

从最基本的方面来讲，同步系统的模型需要描述两个过程。一个是孤立个体的内部动态。在这种情况下，是罐子里的一只孤独的萤火虫，由决定它何时闪光的生理或行为规则所支配。第二种是数学家所说的耦合，即一只萤火虫的闪光影响其邻居的方式。通过这两部分的偶然组合，不同萤火虫的闪光可以迅速拉成一个整齐的“合唱”。

在藏本模型的描述中，每个单独的萤火虫都被视为一个具有内在偏好节奏的振荡器。把萤火虫想象成有一个隐藏的钟摆在里面稳定地摆动；想象每当它的钟摆扫过它的弧形底部时，一只虫子就会闪烁。还假设看到邻近的闪光会将萤火虫的节奏设置的钟摆向前或向后拉动一点。即使萤火虫开始时彼此不同步，或者它们喜欢的内部节奏各自不同，受这些规则支配的集体往往会汇聚到一个协调的闪光模式上。

多年来，这一总体方案出现了几种变化，每一种都对内部动态和耦合的规则进行了调整。年，斯特罗格茨和他在波士顿学院的同事伦尼-米罗洛证明，如果你将一组非常简单的萤火虫状振荡器相互连接，无论你包括多少个体，几乎总是同步的。第二年，Ermentrout描述了东南亚的Pteroptyxmalaccae萤火虫群体如何通过加快或减慢其内部频率来实现同步。在最近的年，玻利维亚圣安德烈斯高等大学的冈萨罗-马塞洛-拉米雷斯-阿维拉领导的小组设计了一个更复杂的方案，萤火虫在"充电"状态和"放电"状态之间来回切换，期间它们会闪烁。

但是，当佩莱团队的相机在年开始捕捉三维数据时，他们的分析发现了新的模式。其中之一是确认了浮士德和其他萤火虫博物学家长期以来报告的一些情况。一阵阵闪光常常从一个地方开始，然后以每秒约半米的速度在森林中层层叠叠。这种传染性的涟漪表明，萤火虫的耦合既不是全体性的，也不是纯粹的个体性的。相反，萤火虫似乎在不同的距离范围内

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