Fai un picchettamento nella Cook State Forest della Pennsylvania nel periodo giusto dell’anno e puoi vedere uno dei grandi spettacoli di luce della natura: sciami di lucciole che sincronizzano i loro lampi come fili di luci di Natale nell’oscurità.
Un nuovo studio dei matematici di Pitt mostra che la matematica presa in prestito dalle neuroscienze può descrivere come sciami di questi insetti unici coordinano il loro spettacolo di luci, catturando dettagli chiave su come si comportano in natura.
“Questa lucciola ha una rapida sequenza di lampi, e poi una grande pausa prima del prossimo scoppio”, ha affermato Jonathan Rubin, professore e presidente del Dipartimento di Matematica presso la Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences. “Conoscevamo un buon framework per modellarlo in grado di catturare molte delle funzionalità ed eravamo curiosi di sapere fino a che punto potevamo spingerlo”.
Le lucciole maschi producono un bagliore dal loro addome per chiamare potenziali compagni, inviando schemi di ammiccamento nell’oscurità per corteggiare le femmine della loro stessa specie. Le lucciole sincrone della specie Photinus carolinus fanno un ulteriore passo avanti, coordinando il loro battito di ciglia durante interi sciami. È una caratteristica rara — ci sono solo una manciata di tali specie in Nord America — e le luci straordinarie che producono attirano la folla nei luoghi in cui è noto che gli insetti si radunano.
Hanno anche attirato l’interesse dei matematici che cercano di capire come sincronizzano i loro ammiccamenti. È solo un esempio di come la sincronizzazione può evolvere dalla casualità, un processo che ha incuriosito i matematici per secoli. Un famoso esempio del 1600 ha mostrato che gli orologi a pendolo appesi uno accanto all’altro si sincronizzano attraverso le vibrazioni che viaggiano attraverso il muro e lo stesso ramo della matematica può essere usato per descrivere qualsiasi cosa, dall’azione degli intestini all’applauso dei membri del pubblico.
“La sincronia è importante per molte cose, buone e cattive”, ha affermato il coautore Bard Ermentrout, illustre professore di matematica alla Dietrich School. “Fisici, matematici, siamo tutti interessati alla sincronizzazione.”
Per spezzare lo spettacolo di luci delle lucciole, il team di Pitt ha utilizzato un modello più complesso chiamato “esplosione ellittica” che viene utilizzato per descrivere il comportamento delle cellule cerebrali. Il duo, insieme all’allora studentessa Madeline McCrea (A&S ’22), ha pubblicato i dettagli del loro modello il 26 ottobre sul Journal of the Royal Society Interface .
Il primo passo è stato simulare i lampeggiamenti di una singola lucciola, quindi espandere a una coppia per vedere come abbinavano le loro frequenze di lampeggiamento l’una all’altra. Successivamente, il team si è spostato su uno sciame più grande di insetti simulati per vedere come il numero, la distanza e la velocità di volo influiscono sui lampeggi risultanti.
Variando le distanze che ciascuna lucciola poteva “vedersi” e rispondere l’una all’altra cambiava lo spettacolo di luci degli insetti, hanno scoperto che modificando i parametri, potevano produrre schemi di ammiccamenti che sembravano increspature o spirali.
I risultati sono in linea con diverse osservazioni pubblicate di recente sulle lucciole sincrone nella vita reale, ad esempio che le singole lucciole sono incoerenti mentre i gruppi lampeggiano più regolarmente e che quando nuove lucciole si uniscono allo sciame, sono già perfettamente in tempo.
“Ha catturato molti dei dettagli più fini che hanno visto nella biologia, il che è stato fantastico”, ha detto Ermentrout. “Non ce lo aspettavamo”.
La matematica fa anche alcune previsioni che potrebbero informare la ricerca sulle lucciole: ad esempio, l’inquinamento luminoso e l’ora del giorno possono entrambi alterare i modelli prodotti dalle lucciole cambiando il modo in cui possono vedersi l’un l’altro.
McCrea ha lavorato alla ricerca come studente universitario supportata dalla Painter Fellowship del dipartimento, che le ha fornito finanziamenti per lavorare al progetto durante l’estate. “È stata fantastica a lavorare su questo progetto, e davvero persistente”, ha detto Rubin.
Il team è il primo a utilizzare questa particolare struttura delle cellule cerebrali per modellare le lucciole, che diversi team di ricerca stanno cercando di comprendere utilizzando diversi tipi di matematica. “È più un argomento di ricerca sul selvaggio west”, ha affermato Ermentrout. “Sono i primi giorni, e chissà dove andranno le cose da qui?”
Ermentrout e Rubin sperano anche che la matematica catturi l’immaginazione di coloro che sono ispirati dal bagliore delle lucciole. Nel bel mezzo di questo progetto, Rubin stesso ha deciso di dirigersi verso la Cook State Forest per vedere se poteva individuare in prima persona i suoi soggetti di ricerca.
“Ho convinto mia moglie a fare un viaggio per un paio di giorni proprio in piena stagione”, ha detto. “Non è chiaro che abbiamo mai visto attività sincronizzate, ma c’erano tutti i tipi di lucciole intorno a noi. È stato fantastico”.
