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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在南卡羅來納州一片沼澤中，雄性螢火蟲會遵循局部交互規(guī)則，從而使求偶展示中的閃光同步。這類工作未來或許能幫助我們理解：人體細胞如何與內(nèi)部晝夜節(jié)律保持同步、大腦中的神經(jīng)元如何協(xié)同放電，以及如何設(shè)計通過同步閃光進行通信的無人機群。

幾十年來，對群聚和群飛行為的研究大多屬于觀察生物學(xué)家的領(lǐng)域。但到了20世紀(jì)80年代，一位名叫克雷格·雷諾茲（Craig Reynolds）的計算機圖形學(xué)專家開發(fā)了所謂的“boids”程序。這是一種基于個體的計算模型，自問世以來便主導(dǎo)著集體行為研究。在這種模型中，群體中的每個個體都被視作一個以恒定速度沿直線運動的點。只要加入幾條關(guān)于這些點如何相互作用的簡單規(guī)則，就可以產(chǎn)生復(fù)雜多樣的集體行為模式。比如，當(dāng)點的密度足夠高時，就會涌現(xiàn)出群飛模式；換一組規(guī)則，則會出現(xiàn)群聚模式。

克雷格·雷諾茲（Craig Reynolds）

由OpenGL提供的一個Boids例子。來源：集智百科

火蟻就是這種集體行為的一個教科書式案例。若只有少量火蟻、彼此間隔較遠，它們的表現(xiàn)就像獨立個體；但如果把足夠多的火蟻擠在一起，它們就更像一個整體，同時呈現(xiàn)出固體和液體的性質(zhì)。你可以像倒茶一樣把它們從茶壺里倒出來；它們也能彼此連接，搭成高塔或漂浮的筏子——這種聚集成形的本領(lǐng)，在遭遇颶風(fēng)洪水（例如休斯敦災(zāi)情）時，便是一項相當(dāng)實用的生存技能。它們在調(diào)節(jié)自身交通流量方面也很出色，幾乎看不到“螞蟻堵車”。

盡管群飛和群聚在自然界中極為普遍，但從底層作用機制來看，各物種的具體集群方式仍各有細微差異。2019年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，野生寒鴉群會根據(jù)自身是在返回棲息地，還是在集結(jié)驅(qū)趕捕食者，來改變飛行模式。

細菌或大腸桿菌也會表現(xiàn)出集體行為。比如，夏威夷短尾烏賊體內(nèi)自帶一個“手電筒”，幫助它在夜晚昏暗的水域中導(dǎo)航、捕食，并借此躲避捕食者。這個“手電筒”位于其腹部下方，是一個特殊的器官——一個高度特化的微型腔室，內(nèi)部共生著費氏弧菌（Vibrio fischeri）菌群。當(dāng)細菌群體數(shù)量達到某個臨界閾值時，它們就會一起發(fā)光，為烏賊提供光源——這一現(xiàn)象被稱為“群體感應(yīng)”（quorum sensing）。

不同物種的群聚和群飛行為。左上：形成浮筏的火蟻群，左下：寒鴉，右上：夏威夷短尾烏賊，右下：夏威夷短尾烏賊的發(fā)光器官相關(guān)顯微圖

至于螢火蟲，我們其實已經(jīng)相當(dāng)了解它們?nèi)绾伟l(fā)光。我們知道它們用來發(fā)光的酶——熒光素酶（luciferase），也知道參與發(fā)光反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。然而，成群的螢火蟲顯然還能對“何時發(fā)光”進行一定程度的控制，而且它們只在專門的發(fā)光器官中發(fā)光；這些方面仍是科學(xué)家希望進一步理解清楚的。

感受節(jié)拍

在康加里國家公園，螢火蟲在繁星點點的背景下閃爍。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校的奧里特·佩萊格（Orit Peleg），多年來一直著迷于螢火蟲如何讓它們的閃光同步。此前的研究曾在大煙山國家公園開展野外觀測，監(jiān)測數(shù)千只以短促求偶閃光著稱的雄性螢火蟲（Photinus carolinus）。這些螢火蟲會按節(jié)奏閃光：通常是幾次快速閃爍，然后停頓幾秒，再開始下一輪快速閃爍。佩萊格想進一步弄清這種同步究竟是如何實現(xiàn)的。

雖然人們已經(jīng)做了大量工作，試圖建立數(shù)學(xué)模型來解釋這些模式如何由局部交互涌現(xiàn)出來，但實驗數(shù)據(jù)卻非常有限。因此，佩萊格的實驗室開發(fā)了一種用于三維追蹤螢火蟲閃光的立體觀測方法，從而能夠重建蟲群結(jié)構(gòu)及其閃光模式。他們不僅監(jiān)測了附近區(qū)域螢火蟲的閃光情況，還在現(xiàn)場搭起帳篷，捕捉部分螢火蟲，并把它們隔離在一個無光環(huán)境中進行研究。

科學(xué)家進行了數(shù)百次實驗，將一只螢火蟲關(guān)在透明籠子里，并使其暴露于以特定刺激頻率閃爍的 LED 燈下。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，即便僅有少數(shù)幾只彼此互動的雄螢，也能實現(xiàn)閃光同步；但那種周期性成串爆發(fā)式閃爍，只會出現(xiàn)在數(shù)量超過15只的群體中。此外，閃光的相關(guān)性可跨越數(shù)米距離，這正是涌現(xiàn)性集體行為中典型的長程相互作用證據(jù)。不過，佩萊格等人也觀察到了一些個體運動軌跡，這表明其中可能還存在其他競爭機制——例如，較早開始閃光的螢火蟲似乎移動性更強，閃光持續(xù)時間也比較晚加入閃光的螢火蟲更長。

在此前研究基礎(chǔ)上，佩萊格的實驗室又繼續(xù)推進了這項工作。最新結(jié)果來自他們自2021年至2025年在南卡羅來納州康加里國家公園于每年5月開展的野外研究。和之前一樣，他們搭起了一頂與外部光源隔離的便攜帳篷，然后讓捕獲的螢火蟲暴露在微弱的LED光下。這種LED閃光會模擬螢火蟲的閃爍，閃爍周期從1秒到300毫秒不等。

結(jié)果表明：當(dāng)LED閃光與螢火蟲自身閃光幾乎同步、但仍存在輕微時間差時，螢火蟲最有可能調(diào)整自己的閃光節(jié)奏。如果LED在螢火蟲閃光之前稍早閃一下，雄蟲就會加快下一次閃光；如果LED緊跟在螢火蟲閃光之后亮起，它們就會稍微延后下一次閃光。作者把這種現(xiàn)象比作：在一個擁擠的音樂廳里，一位觀眾試圖跟著所有人的節(jié)拍一起拍手。

“整整一個季節(jié)里，我?guī)缀趺刻焱砩隙即诤诎抵校粗鵁粢怨潭l率閃爍，”前研究生、也是這篇預(yù)印本共同作者的歐文·馬丁這樣描述自己的野外觀測經(jīng)歷?！叭缓笈紶?，我會遇到那種非常神奇的時刻：我看到螢火蟲突然開始和燈光同步起來。那時我甚至?xí)岩?，是不是自己看花了眼?！钡S后的數(shù)學(xué)分析證實了這些模式：個體閃光的時序動力學(xué)本質(zhì)上可由相位響應(yīng)曲線（phase-response curve, PRC）來刻畫。研究人員據(jù)此進一步建立了一個積分-發(fā)放（integrate-and-fire）模型，并較為準(zhǔn)確地再現(xiàn)了觀測到的同步閃光模式。

作者：Jennifer Ouellette

翻譯：Aegon

審校：virens

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今天我們將送出由中信出版集團提供的《怪誕科學(xué)實驗的正經(jīng)發(fā)現(xiàn)》。

在這本《怪誕科學(xué)實驗的正經(jīng)發(fā)現(xiàn)》中，動物行為學(xué)家卡莉·安妮·約克將帶領(lǐng)讀者走進23個“怪誕科學(xué)研究”的實驗現(xiàn)場，講述座頭鯨鰭肢上的凸起如何幫助我們改進風(fēng)力發(fā)電機，研究蜜蜂的集體決策行為如何優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)托管的效率，黃石公園熱泉里的細菌如何成就人類基因組計劃。這些起初被質(zhì)疑“無用”的研究，最終卻在醫(yī)學(xué)、工程和生態(tài)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性應(yīng)用。作者以幽默通俗的筆觸，打破“科學(xué)必須嚴(yán)肅”“科研投入必須立刻看到產(chǎn)出”的刻板印象，展現(xiàn)由好奇心驅(qū)動的科學(xué)探索有多珍貴，讓我們從這些“不按常理出牌”的科學(xué)研究中，看見探索未知的無限可能。

【互動問題：生活中，你見過哪些“大家慢慢變同步”的現(xiàn)象？】

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編輯：姬子隰

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