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A pesquisa de campo sugere uma nova explicação para o piscar sincronizado em vaga-lumes e confirma que uma nova forma de sincronia “quimérica” ocorre naturalmente.
Nas tradições folclóricas japonesas, eles simbolizam almas que partem ou amor silencioso e ardente. Algumas culturas indígenas nos Andes peruanos os veem como olhos de fantasmas. E em várias culturas ocidentais, vaga-lumes, vaga-lumes e outros besouros bioluminescentes têm sido associados a uma deslumbrante e às vezes contraditória variedade de associações metafóricas: “infância, colheita, desgraça, elfos, medo, mudança de habitat, idílio, amor, sorte; mortalidade, prostituição, solstícios, estrelas e a fugacidade das palavras e da cognição”, como observou uma revisão de 2016.
Os físicos reverenciam os vaga-lumes por razões que podem parecer tão místicas: das cerca de 2.200 espécies espalhadas pelo mundo, algumas têm a capacidade documentada de piscar em sincronia. Na Malásia e na Tailândia, as árvores de mangue cravejadas de vaga-lumes podem piscar como se estivessem enfeitadas com luzes de Natal; a cada verão nos Apalaches, ondas de estranha concordância ondulam pelos campos e florestas. A luz dos vaga-lumes mostra companheiros de atração e multidões de espectadores humanos, mas eles também ajudaram a desencadear algumas das tentativas mais fundamentais de explicar a sincronização, a alquimia pela qual a coordenação elaborada emerge até mesmo de partes individuais muito simples.
Orit Peleg se lembra de quando encontrou pela primeira vez o mistério dos vaga-lumes síncronos como estudante de graduação em física e ciência da computação. Os vaga-lumes foram apresentados como um exemplo de como sistemas simples alcançam sincronia em Nonlinear Dynamics and Chaos, um livro-texto do matemático Steven Strogatz que sua turma estava usando. Peleg nunca tinha visto um vaga-lume, pois são incomuns em Israel, onde ela cresceu.
“É tão bonito que de alguma forma ficou na minha cabeça por muitos, muitos anos”, disse ela. Mas quando Peleg começou seu próprio laboratório, aplicando abordagens computacionais à biologia na Universidade do Colorado e no Instituto Santa Fe, ela aprendeu que, embora os vaga-lumes tenham inspirado muita matemática, os dados quantitativos que descrevem o que os insetos estavam realmente fazendo eram escassos.
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Ela decidiu consertar isso. Nos últimos dois anos, uma série de artigos do grupo de Peleg abriu uma mangueira de incêndio de dados do mundo real sobre sincronia em várias espécies de vaga-lumes em vários locais de estudo e em uma resolução muito maior do que os modeladores ou biólogos anteriores conseguiram. “Muito surpreendente” é como o biólogo matemático Bard Ermentrout, da Universidade de Pittsburgh, descreveu os resultados da equipe para a Quanta. “Fiquei impressionado”, disse Andrew Moiseff, biólogo da Universidade de Connecticut.
Esses artigos estabelecem que os verdadeiros enxames de vaga-lumes se afastam das idealizações matemáticas que esvoaçaram por revistas e livros didáticos por décadas. Quase todos os modelos de sincronia de vaga-lume já inventados, por exemplo, assumem que cada vaga-lume mantém seu próprio metrônomo interno. Uma pré-impressão que o grupo de Peleg postou em março, no entanto, mostrou que em pelo menos uma espécie, vaga-lumes individuais não têm ritmo intrínseco, e postulou que uma batida coletiva emerge apenas da sinergia assustadora de muitos vaga-lumes reunidos. Uma pré-impressão ainda mais recente, carregada pela primeira vez em maio e atualizada na semana passada, documentou um tipo raro de sincronia que os matemáticos chamam de estado quimera, que quase nunca foi observado no mundo real fora de experimentos planejados.
Os biólogos do Firefly esperam que os novos métodos reformulem a ciência e a conservação dos vaga-lumes. Os matemáticos que elaboram teorias de sincronia como as que Strogatz descreveu em seu livro, entretanto, operaram sem muito feedback experimental de sincronizadores confusos do mundo real. “Esse é o grande avanço”, disse Strogatz, professor de matemática da Universidade de Cornell. “Agora podemos começar a fechar o ciclo.”
A prova indescritível da sincronia
Relatos de vaga-lumes brilhando em uníssono no Sudeste Asiático foram filtrados de volta ao discurso científico ocidental por séculos. Milhares de vaga-lumes, chamados kelip-kelip na Malásia – seu nome é uma espécie de onomatopeia visual por seu brilho – podem se estabelecer em árvores à beira do rio. “Sua luz brilha e é extinta por uma simpatia comum”, escreveu um diplomata britânico em viagem à Tailândia em 1857. “Em um momento, cada folha e galho aparecem decorados com fogo como diamante”.
Nem todos aceitaram esses relatórios. “Para que tal coisa ocorra entre os insetos é certamente contrário a todas as leis naturais”, reclamou uma carta à revista Science em 1917, argumentando que o efeito aparente foi causado pelo piscar involuntário do espectador. No entanto, na década de 1960, pesquisadores de vaga-lumes visitantes confirmaram por meio de análises quantitativas o que os barqueiros locais nos manguezais sabiam há muito tempo.
Fotografia de Jason Gambone
Um cenário semelhante ocorreu na década de 1990, quando um naturalista do Tennessee chamado Lynn Faust leu a confiante afirmação publicada de um cientista chamado Jon Copeland de que não havia vaga-lumes síncronos na América do Norte. Faust soube então que o que ela estava assistindo há décadas na floresta próxima era algo notável.
Faust convidou Copeland e Moiseff, seu colaborador, para ver uma espécie nas Great Smoky Mountains chamada Photinus carolinus. Nuvens de vaga-lumes machos enchem florestas e clareiras, flutuando aproximadamente à altura humana. Em vez de piscar em coordenação apertada, esses vaga-lumes emitem uma rajada de flashes rápidos em poucos segundos, depois ficam quietos por várias vezes antes de perder outra rajada. (Imagine uma multidão de paparazzi esperando que as celebridades apareçam em intervalos regulares, tirando uma saraivada de fotos a cada aparição e depois girando os polegares no tempo de inatividade.)
“Mesmo a sincronia básica sempre representou um mistério evolutivo: como a mistura ajuda qualquer macho individual a se destacar para uma parceira em potencial?”
Os experimentos de Copeland e Moiseff mostraram que vaga-lumes isolados de P. carolinus realmente tentaram piscar em ritmo com um vaga-lume vizinho – ou um LED piscando – em uma jarra próxima. A equipe também instalou câmeras de vídeo de alta sensibilidade nas bordas dos campos e clareiras da floresta para gravar flashes. Copeland examinou a filmagem quadro a quadro, contando quantos vaga-lumes foram iluminados a cada momento. A análise estatística desses dados meticulosamente coletados provou que todos os vaga-lumes dentro da visão das câmeras em uma cena realmente emitiam rajadas de flash em intervalos regulares e correlacionados.
Duas décadas depois, quando Peleg e seu pós-doutorando, o físico Raphael Sarfati, começaram a coletar dados sobre vaga-lumes, uma tecnologia melhor estava disponível. Eles projetaram um sistema de duas câmeras GoPro colocadas a poucos metros de distância. Como as câmeras filmavam em 360 graus, elas foram capazes de capturar a dinâmica de um enxame de vaga-lumes de dentro, não apenas de lado. Em vez de contar os flashes à mão, Sarfati desenvolveu algoritmos de processamento que poderiam triangular os flashes dos vaga-lumes capturados por ambas as câmeras e, em seguida, registrar não apenas quando cada piscar aconteceu, mas onde ocorreu no espaço tridimensional.
Sarfati trouxe esse sistema pela primeira vez em campo no Tennessee em junho de 2019 para os vaga-lumes P. carolinus que Faust tornou famosos. Era a primeira vez que via o espetáculo com os próprios olhos. Ele havia imaginado algo como as cenas apertadas de sincronia de vaga-lumes da Ásia, mas as rajadas do Tennessee eram mais confusas, com rajadas de até oito flashes rápidos em cerca de quatro segundos repetidos aproximadamente a cada 12 segundos. No entanto, essa confusão era emocionante: como físico, ele achava que um sistema com flutuações selvagens poderia ser muito mais informativo do que um que se comportasse perfeitamente. “Era complexo, confuso em certo sentido, mas também bonito”, disse ele.
Flashes aleatórios, mas simpáticos
Em seu trabalho de graduação com vaga-lumes sincronizados, Peleg aprendeu a entendê-los por meio de um modelo formalizado pelo físico japonês Yoshiki Kuramoto, com base em trabalhos anteriores do biólogo teórico Art Winfree. Este é o modelo ur da sincronia, o avô dos esquemas matemáticos que explicam como a sincronia pode surgir, muitas vezes inexoravelmente, em qualquer coisa, desde grupos de células marca-passo em corações humanos até correntes alternadas.
Em sua forma mais básica, os modelos de sistemas síncronos precisam descrever dois processos. Uma é a dinâmica interna de um indivíduo isolado – neste caso, um vaga-lume solitário em uma jarra, governado por uma regra fisiológica ou comportamental que determina quando ele pisca. A segunda é o que os matemáticos chamam de acoplamento, a forma como o clarão de um vaga-lume influencia seus vizinhos. Com combinações fortuitas dessas duas partes, uma cacofonia de diferentes agentes pode rapidamente se juntar em um coro puro.
Em uma descrição ao estilo Kuramoto, cada vaga-lume individual é tratado como um oscilador com um ritmo intrínseco preferido. Imagine vaga-lumes como tendo um pêndulo escondido balançando firmemente dentro deles; imagine um inseto piscando toda vez que seu pêndulo passa pelo fundo de seu arco. Suponha também que ver um flash vizinho puxe o pêndulo do vaga-lume um pouco para frente ou para trás. Mesmo que os vaga-lumes comecem fora de sincronia uns com os outros, ou seus ritmos internos preferidos variem individualmente, um coletivo governado por essas regras muitas vezes convergirá em um padrão de flash coordenado.
Várias variações desse esquema geral surgiram ao longo dos anos, cada uma ajustando as regras da dinâmica interna e do acoplamento. Em 1990, Strogatz e seu colega Rennie Mirollo, do Boston College, provaram que um conjunto muito simples de osciladores semelhantes a vaga-lumes quase sempre sincronizaria se você os interconectasse, não importando quantos indivíduos fossem incluídos. No ano seguinte, Ermentrout descreveu como grupos de vaga-lumes Pteroptyx malaccae no sudeste da Ásia poderiam se sincronizar acelerando ou diminuindo suas frequências internas. Ainda em 2018, um grupo liderado por Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila, da Universidade Superior de San Andrés, na Bolívia, concebeu um esquema mais complicado em que os vaga-lumes alternavam entre um estado de “carregamento” e um estado de “descarregamento” durante o qual eles brilhou.
Mas quando as câmeras de Peleg e Sarfati começaram a capturar dados tridimensionais dos vaga-lumes Photinus carolinus, então brancos, nos Great Smokies em 2019, suas análises revelaram novos padrões.
Uma foi a confirmação de algo que Faust e outros naturalistas de vaga-lumes haviam relatado há muito tempo: uma explosão de flashes geralmente começava em um lugar e depois caía em cascata pela floresta a cerca de meio metro por segundo. As ondulações contagiosas sugeriam que o acoplamento dos vaga-lumes não era global (com todo o enxame conectado) nem puramente local (com cada vaga-lume se preocupando apenas com os vizinhos próximos). Em vez disso, os vaga-lumes pareciam prestar atenção a outros vaga-lumes em uma mistura de escalas de distância. Isso pode ser porque os vaga-lumes só podem ver flashes que ocorrem dentro de uma linha de visão ininterrupta, disse Sarfati; nas florestas, a vegetação muitas vezes atrapalha.
Os vaga-lumes P. carolinus também parecem desprezar uma premissa central dos modelos com sabor de Kuramoto: ao contrário dos vaga-lumes do Sudeste Asiático que piscam com uma periodicidade intrínseca, os vaga-lumes do Tennessee não. Quando Peleg e Sarfati lançaram um único vaga-lume P. carolinus em uma tenda, ele emitiu rajadas de flashes aleatoriamente em vez de seguir qualquer ritmo estrito. Às vezes, esperava apenas alguns segundos, outras vezes, alguns minutos. “Isso já o tira do universo de todos os modelos existentes”, disse Strogatz.
Mas uma vez que a equipe despejou 15 ou mais vaga-lumes, toda a barraca se iluminou com rajadas de flash coletivas espaçadas cerca de uma dúzia de segundos. A sincronia e a periodicidade do grupo eram produtos puramente emergentes dos vaga-lumes que andavam juntos. Para determinar como isso poderia acontecer, o grupo Peleg procurou a ajuda do físico Srividya Iyer-Biswas, da Universidade Purdue, e do Instituto Santa Fe. Durante a noite, o estudante de doutorado de Iyer-Biswas, Kunaal Joshi, analisou seus dados de campo e desenvolveu um novo modelo de periodicidade emergente, que os cientistas enviaram como um rascunho para o servidor de pré-impressão biorxiv.org na primavera passada.
Imagine um vaga-lume isolado que acabou de emitir uma rajada de flashes e considere as seguintes regras. Se você o isolar agora, ele aguardará um intervalo aleatório antes de piscar novamente. Há, no entanto, um tempo mínimo de espera que o inseto precisa para recarregar seus órgãos de luz. Este vaga-lume também é suscetível à pressão dos pares: se ele vir outro vaga-lume começando a piscar, ele piscará também, desde que fisicamente possa.
Agora imagine um campo inteiro de vaga-lumes na escuridão silenciosa imediatamente após uma explosão. Cada um escolhe um tempo de espera aleatório maior que o período de carregamento. Quem piscar primeiro, no entanto, inspira todos os outros a pular imediatamente. Todo esse processo se repete cada vez que o campo fica escuro. À medida que o número de vaga-lumes aumenta, torna-se cada vez mais provável que pelo menos um escolha aleatoriamente piscar novamente assim que for biologicamente possível, e isso desencadeará o resto. Como resultado, o tempo entre as rajadas diminui em direção ao tempo de espera mínimo. Qualquer cientista olhando para esta cena verá o que parece ser um ritmo de grupo constante de luz rolando para a escuridão, e então a escuridão irrompendo com luz.
Uma segunda pré-impressão do grupo Peleg revelou outro padrão exótico. No Parque Nacional Congaree, na Carolina do Sul, Peleg notou algo estranho quando sua equipe treinou seu equipamento no vaga-lume sincronizador Photuris frontalis. “Lembro-me de ver pelo canto do olho que havia um pequeno vaga-lume que realmente não estava no ritmo. Mas ele ainda é pontual”, disse ela.
“[Os vaga-lumes] faziam ciência da computação bem antes de existirmos.”
A análise da equipe mostrou que, enquanto um coro principal de vaga-lumes brilhou no ritmo, os teimosos atípicos se recusaram a acompanhar. Eles compartilhavam o mesmo espaço e brilhavam com seu próprio período, mas estavam fora de fase com a sinfonia circundante. Às vezes, os valores discrepantes pareciam sincronizar uns com os outros; às vezes eles apenas piscaram de forma assíncrona. O grupo de Peleg descreve isso como um estado quimera, uma forma de sincronia observada pela primeira vez por Kuramoto e seu pós-doutorando Dorjsuren Battogtokh em 2001 e explorada por Strogatz e pelo matemático Daniel Abrams da Northwestern University em 2004 em uma forma matematicamente idealizada. Alguns relatos de neurocientistas afirmam ter visto esse tipo de sincronia quimera na atividade das células cerebrais sob certas condições experimentais, mas por outro lado não foi observado na natureza até agora.
Ainda não está claro por que a natureza favoreceria a evolução desse estado confuso de sincronização em vez de um mais uniforme. Mas mesmo a sincronia básica sempre representou um mistério evolutivo: como a mistura ajuda qualquer macho individual a se destacar para uma parceira em potencial? Peleg sugeriu que estudos analisando os padrões comportamentais de vaga-lumes fêmeas e não apenas os machos podem ser informativos. Seu grupo começou fazendo isso com os vaga-lumes P. carolinus, mas ainda não com a espécie P. frontalis, propensa a quimeras.
Ciência da Computação Relâmpago
Para os modeladores, agora começa a corrida para encapsular os padrões de vaga-lume observados em estruturas novas e aprimoradas. Ermentrout tem um artigo em análise que oferece uma descrição matemática diferente do Photinus carolinus: Suponha que, em vez de esperar um período de tempo puramente aleatório além do mínimo obrigatório para recarga, os bugs sejam apenas osciladores barulhentos e irregulares? Os vaga-lumes podem então começar a agir como pisca-piscas periódicas apenas quando reunidos. Em simulações computacionais, esse modelo também corresponde aos dados do grupo Peleg. “Mesmo que não tenhamos programado, coisas como as ondas surgem”, disse Ermentrout.
O sistema barato de câmera e algoritmo de Peleg e Sarfati pode ajudar muito a avançar – e democratizar – a pesquisa de vaga-lumes, dizem os biólogos. Os vaga-lumes são difíceis de estudar na natureza porque diferenciar as espécies por seus flashes é difícil para todos, exceto para os pesquisadores mais dedicados e entusiastas hardcore. Isso torna a medição do alcance e da abundância das populações de vaga-lumes desafiador, mesmo com o medo de que muitas espécies de vaga-lumes estejam em vias de extinção. A nova configuração pode facilitar a coleta, análise e compartilhamento de dados intermitentes.
Em 2021, Sarfati usou o sistema para confirmar um relatório do Arizona de que a espécie local Photinus knulli pode sincronizar quando um número suficiente de vaga-lumes se reúne. Este ano, o laboratório de Peleg enviou 10 cópias do sistema de câmeras para pesquisadores de vaga-lumes nos EUA. Eles agora estão coletando dados dos shows de luzes produzidos no verão passado por oito espécies. Com o objetivo de aumentar os esforços de conservação, um grupo de pesquisadores de machine learning do laboratório Peleg está tentando treinar um algoritmo para identificar espécies a partir dos padrões de flash nas imagens gravadas.
Modelos idealizados de vaga-lumes inspiraram a teoria matemática por décadas; Peleg espera que as verdades mais sutis que estão surgindo agora tenham consequências semelhantes.
Moiseff compartilha dessa esperança. Os vaga-lumes “têm feito ciência da computação bem antes de existirmos”, disse ele. Aprender como eles sincronizam pode levar a uma melhor compreensão dos comportamentos auto-organizados em outros seres vivos também.
Nota do editor: Steven Strogatz é o apresentador do podcast Joy of Why da Quanta e membro do conselho consultivo da Quanta.
Publicado em 25/09/2022 15h38
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/how-do-fireflies-flash-in-sync-studies-suggest-a-new-answer-20220920/