Синхронность с хаосом: Мигающие огни роя светлячков воплощают в природе то, что предсказала математика

Представьте старый лес в сумерках летнего вечера. Когда последние лучи солнца исчезают за горизонтом, ваш глаз ловит крошечную вспышку. Вы задерживаете дыхание; она вспыхивает снова. По всему лесному полю появляются ответные вспышки, и вскоре весь лес пульсирует общим, сверкающим ритмом. Рой достигает синхронности.

Скопления светлячков — это масштабные "свидания". Вспышки передают диалог ухаживания между самцами, которые рекламируют себя, и разборчивыми самками. Коллективные световые паттерны возникают из взаимодействия тысяч особей. Загадочный феномен синхронизации вспышек некоторых видов светлячков озадачивает учёных уже более века.

Синхронность повсеместна во Вселенной. Но это сложное понятие, которое обычно сначала раскрывается математикой, а затем исследуется в природе.

Если понаблюдать за роем светлячков подольше, среди освещённого хора можно заметить нечто иное: некоторые несогласные особи откалываются и продолжают мигать не в такт. Они вспыхивают в том же темпе, но с устойчивой задержкой относительно синхронизированного большинства. Может ли это быть свидетельством явления, предсказанного математическими уравнениями, но ранее не наблюдавшегося в природе?

Синхронность с изюминкой

Двадцать лет назад физики Доржсурэн Баттогтох и Ёсики Курамото, углубляясь в уравнения, описывающие синхронность, заметили нечто peculiar. При определённых обстоятельствах их математические решения описывали двойственный ансамбль, демонстрирующий широкую синхронность, перемежающуюся с некоторыми хаотичными, свободно плавающими элементами.

Их модель опиралась на набор абстрактных часов, называемых осцилляторами, которые стремятся синхронизироваться с соседями. Неоднородное состояние было удивительным, поскольку уравнения предполагали, что все осцилляторы идеально идентичны и одинаково связаны друг с другом.

Спонтанное нарушение лежащей в основе симметрии обычно беспокоит физиков. Если осцилляторы неразличимы, они должны либо все синхронизироваться, либо все оставаться хаотичными — но не демонстрировать дифференцированное поведение.

Это заинтересовало математиков Дэниела Абрамса и Стивена Строгаца, которые назвали явление "химерой". В греческой мифологии Химера была гибридным чудовищем, состоящим из частей несовместимых животных — подходящее имя для смеси несовпадающих кластеров осцилляторов.

Сначала химеры были редки в математических моделях, для их появления требовался очень специфический набор параметров. Со временем теоретики стали обнаруживать их во многих вариациях моделей, называя "дышащими", "скрученными", "многоголовыми" и другими эпитетами. Оставалось загадкой, возможны ли эти теоретические химеры в физическом мире или это лишь математический миф.

Спустя десятилетие несколько изобретательных экспериментов в физических лабораториях воспроизвели неуловимые химеры. Они включали точно настроенные сети взаимодействий между сложными осцилляторами. Хотя это доказало, что инженерное создание сосуществования когерентности и инкогерентности — дело тонкое, но возможное, главный вопрос оставался без ответа: Могут ли математические химеры существовать в естественном мире?

Оказалось, что пролить на них свет смогло крошечное светящееся насекомое.

Химера среди мигающего хора светлячков

В лаборатории Пелег в Университете Колорадо мы работаем над расшифровкой внутренней работы роёв светлячков. Наш подход основан на малоизвестной нише современной физики: коллективном поведении животных. Цель — выявить и охарактеризовать спонтанные, самоорганизующиеся крупномасштабные паттерны в динамике групп животных, а затем исследовать, как эти паттерны возникают из индивидуальных взаимодействий.

Наше последнее исследование опубликовано в Science Advances.

Мы отправились в национальный парк Конгари в Южной Каролине, чтобы наблюдать за Photuris frontalis — одним из немногих североамериканских видов, известных своей синхронизацией. Вскоре после первых вспышек в сумерках мы наблюдали очень ритмичную, точную синхронность, на первый взгляд столь же чёткую, как предсказывают уравнения.

Синхронность проявляется в данных в виде резких пиков на графике количества вспышек во времени. Эти пики указывают, что большинство вспышек происходит в один и тот же момент. В наших графиках я сначала видел только безупречный гребенчатый паттерн идеальной синхронности.

Оказалось, химера скрывалась на виду, но мне пришлось продвинуться дальше по данным, чтобы столкнуться с ней. Там, между пиками светового хора, некоторые более короткие пики указывали на меньшие фракции, синхронизированные между собой, но не с основной группой. Я назвал их "персонажами". Вместе с синхронизированным хором эти несовместимые персонажи и составляют химеру.

Как в древнегреческом театре, хор задаёт фон, а персонажи создают действие. Две группы переплетены, перемещаясь по одной сцене, что мы выявили из трёхмерной реконструкции роя. Несмотря на разделение в ритме, их пространственная динамика кажется неразличимой. Персонажи, судя по всему, не сбиваются в кучу и не следуют друг за другом.

Эта неожиданно перемешанная самоорганизация поднимает ещё больше вопросов. Осознанно ли персонажи в рое решают отколоться, возможно, чтобы сигнализировать о своей эмансипации? Или они спонтанно оказываются в ловушке не в такт? Могут ли математические идеи пролить свет на социальную динамику среди светящихся жуков?

В отличие от абстрактных осцилляторов в математических уравнениях, светлячки — когнитивные существа. Они обрабатывают сложную сенсорную информацию через конвейер принятия решений. Они также постоянно в движении, образуя и разрывая визуальные связи с сородичами. Упрощённые математические модели пока не охватывают эти сложности.

В тихом лесу синхронизированные вспышки и их диссонирующие аналоги, возможно, осветили целое сокровище новых химер, за которыми теперь могут охотиться математики и физики.