Una nueva explicación de cómo parpadean las luciérnagas sincronizadas

Un escenario similar se desarrolló en la década de 1990, cuando una naturalista de Tennessee llamada Lynn Faust leyó la confiada afirmación publicada de un científico llamado Jon Copeland de que no había luciérnagas sincrónicas en América del Norte. Faust supo entonces que lo que había estado observando durante décadas en los bosques cercanos era algo extraordinario.

Faust invitó a Copeland y Moiseff, su colaborador, a ver una especie en las Grandes Montañas Humeantes llamada Fotino carolino. Las nubes de las luciérnagas macho llenan bosques y claros, flotando aproximadamente a la altura humana. En lugar de parpadear en estrecha coordinación, estas luciérnagas emiten una ráfaga de destellos rápidos en unos pocos segundos, luego se quedan en silencio varias veces antes de perder otra ráfaga. (Imagínese una multitud de paparazzi esperando que las celebridades aparezcan a intervalos regulares, tomando una serie de fotos en cada aparición y luego jugando con los pulgares en el tiempo de inactividad).

Los experimentos de Copeland y Moiseff mostraron que los P. carolinus las luciérnagas realmente intentaron parpadear al ritmo de una luciérnaga vecina, o un LED parpadeante, en un frasco cercano. El equipo también instaló cámaras de video de alta sensibilidad en los bordes de los campos y claros de los bosques para registrar los destellos. Copeland revisó el metraje cuadro por cuadro, contando cuántas luciérnagas estaban iluminadas en cada momento. El análisis estadístico de estos datos cuidadosamente recopilados demostró que todas las luciérnagas dentro de la vista de las cámaras en una escena realmente emitieron ráfagas de destellos a intervalos regulares y correlacionados.

Dos décadas más tarde, cuando Peleg y su postdoctorado, el físico Raphaël Sarfati, se dispusieron a recopilar datos de luciérnagas, había una mejor tecnología disponible. Diseñaron un sistema de dos cámaras GoPro colocadas a unos pocos pies de distancia. Debido a que las cámaras tomaron videos de 360 ​​grados, pudieron capturar la dinámica de un enjambre de luciérnagas desde adentro, no solo desde el costado. En lugar de contar los destellos a mano, Sarfati ideó algoritmos de procesamiento que podían triangular los destellos de luciérnagas captados por ambas cámaras y luego registrar no solo cuándo ocurrió cada destello, sino también dónde ocurrió en el espacio tridimensional.

Sarfati introdujo por primera vez este sistema en Tennessee en junio de 2019 para la P. carolinus luciérnagas que Fausto había hecho famosas. Era la primera vez que veía el espectáculo con sus propios ojos. Se había imaginado algo así como las escenas apretadas de sincronía de luciérnagas de Asia, pero las ráfagas de Tennessee eran más desordenadas, con ráfagas de hasta ocho destellos rápidos durante unos cuatro segundos repetidos aproximadamente cada 12 segundos. Sin embargo, ese desorden era emocionante: como físico, sintió que un sistema con fluctuaciones salvajes podría resultar mucho más informativo que uno que se comportara perfectamente. “Fue complejo, confuso en cierto sentido, pero también hermoso”, dijo.

Intermitentes aleatorios pero comprensivos

En su experiencia de estudiante con luciérnagas sincronizadas, Peleg primero aprendió a entenderlas a través de un modelo formalizado por el físico japonés Yoshiki Kuramoto, basado en trabajos anteriores del biólogo teórico Art Winfree. Este es el modelo ur de la sincronía, el abuelo de los esquemas matemáticos que explican cómo puede surgir la sincronía, a menudo inexorablemente, en cualquier cosa, desde grupos de células marcapasos en el corazón humano hasta corrientes alternas.

En su forma más básica, los modelos de sistemas síncronos necesitan describir dos procesos. Uno es la dinámica interna de un individuo aislado, en este caso una luciérnaga solitaria en un frasco, gobernada por una regla fisiológica o de comportamiento que determina cuándo parpadea. El segundo es lo que los matemáticos llaman acoplamiento, la forma en que el destello de una luciérnaga influye en sus vecinas. Con combinaciones fortuitas de estas dos partes, una cacofonía de diferentes agentes puede convertirse rápidamente en un coro ordenado.

Yoshiki Kuramoto, profesor de física en la Universidad de Kioto, desarrolló el modelo de sincronización más famoso en la década de 1970 y co-descubrió el estado quimera en 2001.

Fotografía: Tomoaki Sukezane

En una descripción al estilo Kuramoto, cada luciérnaga individual se trata como un oscilador con un ritmo preferido intrínseco. Imagínese las luciérnagas como si tuvieran un péndulo oculto que se balancea constantemente dentro de ellas; imagine que un insecto parpadea cada vez que su péndulo pasa por la parte inferior de su arco. Supongamos también que ver un destello cercano tira del péndulo de una luciérnaga que marca el paso un poco hacia adelante o hacia atrás. Incluso si las luciérnagas comienzan sin sincronizarse entre sí, o si sus ritmos internos preferidos varían individualmente, un colectivo regido por estas reglas a menudo convergerá en un patrón de destellos coordinado.

A lo largo de los años han surgido varias variaciones de este esquema general, cada una modificando las reglas de la dinámica interna y el acoplamiento. En 1990, Strogatz y su colega Rennie Mirollo del Boston College demostraron que un conjunto muy simple de osciladores similares a luciérnagas casi siempre se sincronizaría si los interconectara, sin importar cuántas personas incluyera. Al año siguiente, Ermentrout describió cómo grupos de Pteroptyx malaccae las luciérnagas en el sudeste asiático podrían sincronizarse acelerando o ralentizando sus frecuencias internas. Recientemente, en 2018, un grupo dirigido por Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila de la Universidad Superior de San Andrés en Bolivia ideó un esquema más complicado en el que las luciérnagas alternaban entre un estado de “carga” y un estado de “descarga” durante el cual brilló