수학자들은 일부 반딧불이가 동기화되어 깜박이는 방법을 설명합니다.

연중 적절한 시기에 펜실베니아의 쿡 주립 산림(Cook State Forest)에 측설하면 자연의 위대한 라이트 쇼 중 하나를 볼 수 있습니다. 어둠 속에서 크리스마스 불빛처럼 번쩍이는 반딧불이 떼입니다.

Pitt 수학자들의 새로운 연구에 따르면 신경 과학에서 차용한 수학은 이 독특한 곤충 떼가 어떻게 빛 쇼를 조정하는지 설명하고 야생에서 어떻게 행동하는지에 대한 주요 세부 사항을 포착할 수 있음을 보여줍니다.

Kenneth P. Dietrich 예술 과학 대학의 수학과 교수이자 학과장인 Jonathan Rubin은 “이 반딧불이는 빠르게 번쩍이다가 다음 폭발이 일어나기 전에 잠시 멈춥니다”고 말했습니다. “우리는 많은 기능을 캡처할 수 있는 모델링을 위한 좋은 프레임워크를 알고 있었고 이를 어디까지 밀어붙일 수 있을지 궁금했습니다.”

수컷 반딧불이는 복부에서 빛을 발산하여 잠재적인 짝을 부르고 어둠 속에서 자신의 종의 암컷을 유혹하기 위해 깜박이는 패턴을 보냅니다. Photinus carolinus 종의 동기 반딧불이는 한 단계 더 나아가 전체 무리에서 깜박임을 조정합니다. 그것은 희귀한 특성입니다. 북미에는 그러한 종이 몇 개 밖에 없습니다. 그리고 그들이 내는 눈부신 빛은 곤충이 모이는 것으로 알려진 장소로 군중을 끌어들입니다.

그들은 또한 깜박임을 동기화하는 방법을 이해하려는 수학자들의 관심을 끌었습니다. 이것은 수세기 동안 수학자들의 흥미를 끈 과정인 무작위성에서 동기화가 어떻게 진화할 수 있는지 보여주는 한 가지 예일 뿐입니다. 1600년대의 한 유명한 예는 서로 옆에 매달린 진자 시계가 벽을 통해 이동하는 진동을 통해 동기화되며 동일한 수학 분야를 사용하여 내장의 작용에서 청중이 박수를 치는 것까지 모든 것을 설명할 수 있다는 것을 보여주었습니다.

공저자인 디트리히 스쿨의 저명한 수학 교수인 Bard Ermentrout는 “동시성은 좋은 일이든 나쁜 일이든 많은 일에 중요합니다.”라고 말했습니다. “물리학자, 수학자, 우리 모두는 동기화에 관심이 있습니다.”

반딧불이의 빛 쇼를 풀기 위해 Pitt 팀은 뇌 세포의 행동을 설명하는 데 사용되는 “타원 버스터”라는 더 복잡한 모델을 사용했습니다. 듀오는 당시 학부생이었던 Madeline McCrea(A&S ’22)와 함께 그들의 모델에 대한 세부 정보를 10월 26일에 발표했습니다. 왕립학회 인터페이스 저널.

첫 번째 단계는 하나의 반딧불이의 깜박임을 시뮬레이션한 다음 한 쌍으로 확장하여 깜박임 속도를 서로 일치시키는 방법을 확인하는 것이었습니다. 다음으로 팀은 시뮬레이션된 곤충의 더 큰 떼로 이동하여 숫자, 거리 및 비행 속도가 깜박임 결과에 미치는 영향을 확인했습니다.

각 반딧불이가 서로를 “볼” 수 있고 서로 반응할 수 있는 거리를 변화시키면 곤충의 조명 쇼가 바뀌는 것을 발견했습니다. 매개변수를 조정하면 잔물결이나 나선처럼 보이는 깜박임 패턴을 생성할 수 있습니다.

결과는 실제 동기식 반딧불이에 대한 최근 발표된 여러 관찰 결과와 일치합니다. 예를 들어 개별 반딧불이는 일관성이 없는 반면 그룹은 더 정기적으로 깜박이고 새로운 반딧불이 무리에 합류할 때 이미 완벽하게 제 시간에 맞춰져 있다는 것입니다.

Ermentrout은 “생물학에서 보았던 미세한 세부 사항을 많이 포착했습니다. 정말 멋졌습니다.”라고 말했습니다. “우리는 그것을 기대하지 않았습니다.”

수학은 또한 반딧불 연구에 정보를 제공할 수 있는 몇 가지 예측을 합니다. 예를 들어, 빛 공해와 하루 중 시간은 모두 반딧불이가 서로의 깜박임을 얼마나 잘 볼 수 있는지를 변경하여 생성되는 패턴을 변경할 수 있습니다.

McCrea는 학과의 Painter Fellowship의 지원을 받는 학부생으로 연구에 참여했으며 여름 내내 프로젝트에 참여할 수 있는 자금을 제공했습니다. Rubin은 “그녀는 이 프로젝트에서 정말 훌륭했고 정말 끈기 있게 작업했습니다.”라고 말했습니다.

팀은 이 특정 뇌 세포 프레임워크를 사용하여 반딧불을 모델링한 최초의 사람입니다. 여러 다른 연구팀이 다양한 유형의 수학을 사용하여 이를 이해하려고 합니다. “그것은 서부 연구 주제에 가깝습니다.”라고 Ermentrout이 말했습니다. “지금은 초창기인데 여기서 일이 어디로 갈지 누가 알겠습니까?”

Ermentrout과 Rubin은 또한 수학이 반딧불이의 빛에서 영감을 받은 사람들의 상상력을 사로잡을 수 있기를 희망합니다. 이 프로젝트 중에 Rubin은 자신의 연구 주제를 직접 발견할 수 있는지 확인하기 위해 Cook State Forest로 향하기로 결정했습니다.

그는 “아내에게 시즌이 성수기에 며칠간 여행을 가자고 설득했다”고 말했다. “동기화된 활동을 본 적이 있는지는 확실하지 않지만 우리 주변에는 온갖 종류의 반딧불이가 있었습니다. 정말 놀라웠습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/10/221031212807.htm