Wenn Sie zur richtigen Jahreszeit im Cook State Forest in Pennsylvania abstecken, können Sie eine der großartigen Lichtshows der Natur sehen: Schwärme von Glühwürmchen, die ihre Blitze wie Weihnachtslichterketten im Dunkeln synchronisieren.
Eine neue Studie von Pitt-Mathematikern zeigt, dass aus den Neurowissenschaften entlehnte Mathematik beschreiben kann, wie Schwärme dieser einzigartigen Insekten ihre Lichtshow koordinieren und wichtige Details über ihr Verhalten in freier Wildbahn erfassen.
„Dieses Glühwürmchen hat eine schnelle Abfolge von Blitzen und dann eine große Pause vor dem nächsten Ausbruch“, sagte Jonathan Rubin, Professor und Vorsitzender der Fakultät für Mathematik an der Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences. „Wir kannten ein gutes Framework für die Modellierung, das viele der Funktionen erfassen konnte, und wir waren neugierig, wie weit wir es bringen könnten.“
Männliche Glühwürmchen erzeugen ein Leuchten aus ihrem Unterleib, um potenzielle Partner zu rufen, und senden blinkende Muster in der Dunkelheit aus, um Weibchen ihrer eigenen Art zu umwerben. Synchrone Glühwürmchen der Art Photinus carolinus gehen noch einen Schritt weiter und koordinieren ihr Blinken über ganze Schwärme hinweg. Es ist ein seltenes Merkmal – es gibt nur eine Handvoll solcher Arten in Nordamerika – und die auffälligen Lichter, die sie erzeugen, ziehen Menschenmassen an Orte, an denen sich die Insekten bekanntermaßen versammeln.
Sie haben auch das Interesse von Mathematikern geweckt, die verstehen wollen, wie sie ihr Blinzeln synchronisieren. Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie sich die Synchronisierung aus dem Zufall entwickeln kann, einem Prozess, der Mathematiker seit Jahrhunderten fasziniert. Ein berühmtes Beispiel aus dem 16. Jahrhundert zeigte, dass sich nebeneinander aufgehängte Pendeluhren durch Vibrationen synchronisieren, die durch die Wand wandern, und derselbe Zweig der Mathematik kann verwendet werden, um alles zu beschreiben, von der Bewegung des Darms bis zum Klatschen der Zuschauer.
„Synchronität ist für viele Dinge wichtig, gute und schlechte“, sagte Co-Autor Bard Ermentrout, angesehener Professor für Mathematik an der Dietrich School. „Physiker, Mathematiker, wir alle interessieren uns für Synchronisation.“
Um die Lichtshow der Glühwürmchen zu knacken, verwendete das Pitt-Team ein komplexeres Modell namens „Elliptic Burster“, das verwendet wird, um das Verhalten von Gehirnzellen zu beschreiben. Das Duo veröffentlichte zusammen mit der damaligen Studentin Madeline McCrea (A&S ’22) Einzelheiten zu ihrem Modell am 26. Oktober in der Zeitschrift der Royal Society Interface.
Der erste Schritt bestand darin, das Blinken eines einzelnen Glühwürmchens zu simulieren und dann auf ein Paar zu erweitern, um zu sehen, wie sie ihre Blinkraten aufeinander abstimmen. Als nächstes ging das Team zu einem größeren Schwarm simulierter Insekten, um zu sehen, wie sich Anzahl, Entfernung und Fluggeschwindigkeit auf die resultierenden Blinzeln auswirken.
Sie fanden heraus, dass das Variieren der Entfernungen, in denen sich die Glühwürmchen gegenseitig „sehen“ und aufeinander reagieren konnten, die Lichtshow der Insekten veränderte: Durch Anpassen der Parameter konnten sie Blinkmuster erzeugen, die entweder wie Wellen oder Spiralen aussahen.
Die Ergebnisse stimmen mit mehreren kürzlich veröffentlichten Beobachtungen über echte synchrone Glühwürmchen überein – zum Beispiel, dass einzelne Glühwürmchen inkonsistent sind, während Gruppen regelmäßiger blinken, und dass neue Glühwürmchen, wenn sie sich dem Schwarm anschließen, bereits perfekt im Takt sind.
„Es hat viele der feineren Details eingefangen, die sie in der Biologie gesehen haben, was cool war“, sagte Ermentrout. „Damit haben wir nicht gerechnet.“
Die Mathematik macht auch einige Vorhersagen, die die Glühwürmchen-Forschung informieren könnten – zum Beispiel können Lichtverschmutzung und die Tageszeit beide die von Glühwürmchen erzeugten Muster verändern, indem sie ändern, wie gut sie das Blinzeln des anderen sehen können.
McCrea arbeitete an der Forschung als Studentin, unterstützt durch das Painter Fellowship der Abteilung, das ihr die Arbeit an dem Projekt den ganzen Sommer über finanzierte. „Sie war großartig bei der Arbeit an diesem Projekt und wirklich hartnäckig“, sagte Rubin.
Das Team ist das erste, das dieses spezielle Gehirnzellen-Framework verwendet, um Glühwürmchen zu modellieren, die mehrere verschiedene Forschungsteams mithilfe verschiedener Arten von Mathematik zu verstehen versuchen. „Es ist eher ein Wildwest-Forschungsthema“, sagte Ermentrout. „Es ist noch früh, und wer weiß, wohin die Dinge von hier aus gehen werden?“
Ermentrout und Rubin hoffen auch, dass die Mathematik die Fantasie derjenigen anregen wird, die sich vom Leuchten der Glühwürmchen inspirieren lassen. Mitten in diesem Projekt beschloss Rubin selbst, zum Cook State Forest zu fahren, um zu sehen, ob er seine Forschungsobjekte aus erster Hand entdecken könnte.
„Ich habe meine Frau davon überzeugt, mitten in der Saison für ein paar Tage auf Reisen zu gehen“, sagte er. „Es ist nicht klar, ob wir jemals synchronisierte Aktivitäten gesehen haben, aber es waren alle möglichen Glühwürmchen um uns herum. Es war erstaunlich.“
Mehr Informationen:
Madeline McCrea et al, Ein Modell für die kollektive Synchronisation des Blitzens bei Photinus carolinus, Journal of The Royal Society Interface (2022). DOI: 10.1098/rsif.2022.0439