Как у жуков-светляков получается синхронизировать свое мерцание?

Каждый год в течение всего двух коротких недель в июне в лесах на юго-востоке США происходит невероятное явление. Стаи тысяч самцов светлячков взлетают в сумерках, а их брюшки ярко вспыхивают в захватывающем дух синхронизированном брачном шоу.

Это настолько загадочно, насколько красиво. На протяжении как минимум столетий люди во всем мире задавались вопросом, как эти жуки координируют свои световые танцы. Объяснения варьировались от ветра, обнажающего светящиеся брюшки животных, до простого совпадения. В 1917 году высказывалось предположение, что это была всего лишь иллюзия, порожденная морганием зрителя.

С тех пор исследования показали, что синхронизация действительно существует. А математические модели показали, как синхронность вспышек светлячков развивается с течением времени. Но механизм, посредством которого произошла эта синхронизация, оставался неуловимым. Ученые из университета Колорадо (Боулдер, США) во главе с физиком Рафаэлем Сарфати попытались понять, как у светляков вида Photinus carolinus происходит синхронизация свечения. Их исследование опубликовано в журнале Journal of Royal Society Interface.

Теперь новое исследование, проведенное Сарфати и его командой, добавило недостающий ингредиент, а именно не только временную, но и пространственную информацию о мерцании светляков. Для этого они засняли процесс синхронного свечения с разных ракурсов одновременно, что позволило смоделировать его трехмерную модель. Во время наблюдений использовались камеры кругового обзора (на 360 градусов). Сбор данных проходил в июне прошлого года. Сарфати и его коллеги вышли в национальный парк, установили палатки и две камеры кругового обзора. 

Сделав стереоскопическое видео стаи светлячков вида Photinus carolinus в национальном парке Грейт-Смоки-Маунтинс в Теннесси, исследовательская группа реконструировала свечение жуков в трехмерном пространстве. В итоге они поняли, что не существует какого-то странного врожденного ритма светлячков; скорее, светлячки синхронизируются, копируя мерцания собратьев вокруг себя.

В течение примерно полутора часов в день, спустя полчаса после захода солнца, ученые записывали, как светлячки начали светиться, а затем их огоньки вспыхивали по повторяющейся схеме: несколько коротких мерцаний, за которыми следовала пауза в несколько секунд, а затем снова мерцание. Когда светлячки синхронизируются, кажется, что свет волнами пробегает по местности.

Команда также заметила, что рой оставался на расстоянии примерно двух метров от земли, и форма стаи точно соответствовала форме местности — чтобы не упускать из виду самок, которые остаются ближе к земле.

Позже ученые воссоздали световое шоу светляков в искусственных условиях, запуская по несколько жуков в специальную темную камеру. «Когда вы начинаете собирать 20 светлячков вместе, тогда вы начинаете наблюдать за тем, что видите в дикой природе», — сказал Сарфати. «Появляются регулярные вспышки, и все они синхронизированы».

Это говорит о том, что синхронность носит социальный характер. Светлячки видят, что делают другие светлячки в непосредственной близости от них, и отвечают тем же, в результате чего возникает световая рябь, немного напоминающая «мексиканские волны» болельщиков на стадионных трибунах.

Светлячки не синхронизируются за счет какой-то особенной нейронной связи, их поведение является простым копированием того, что делают другие особи в рое. Стоит одному светляку задать ритм, как его тут же подхватывают другие. Ранее считалось, что синхронное свечение связано с ритуалом ухаживания самцов за самками. Однако тесты показали, что отсутствие самки в камере никак не помешало самцам синхронно светиться.

Математическое моделирование, полученное в результате этого исследования, станет ценным инструментом для изучения моделей вспышек других видов светлячков. Выяснение того, как это происходит и почему возникло, также может помочь нам понять другие примеры синхронности в природе.

«Такая синхронизация наблюдается во многих природных системах», — отметил физик Орит Пелег из CU Boulder. «Клетки в наших сердцах сокращаются одновременно. Синхронизируются и нейроны в нашем мозге».