Des mathématiciens expliquent comment certaines lucioles clignotent de manière synchronisée


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  • Implantez-vous dans la forêt d’État de Cook en Pennsylvanie au bon moment de l’année et vous pourrez voir l’un des grands spectacles de lumière de la nature : des essaims de lucioles qui synchronisent leurs flashs comme des guirlandes de lumières de Noël dans l’obscurité.

    Une nouvelle étude des mathématiciens de Pitt montre que les mathématiques empruntées aux neurosciences peuvent décrire comment des essaims de ces insectes uniques coordonnent leur spectacle de lumière, capturant des détails clés sur leur comportement dans la nature.

    « Cette luciole a une séquence rapide de flashs, puis une grande pause avant la prochaine rafale », a déclaré Jonathan Rubin, professeur et directeur du département de mathématiques de la Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences. « Nous connaissions un bon cadre pour modéliser cela qui pourrait capturer un grand nombre de fonctionnalités, et nous étions curieux de savoir jusqu’où nous pouvions le pousser. »

    Les lucioles mâles produisent une lueur de leur abdomen pour appeler des partenaires potentiels, envoyant des motifs clignotants dans l’obscurité pour courtiser les femelles de leur propre espèce. Les lucioles synchrones de l’espèce Photinus carolinus vont encore plus loin en coordonnant leur clignotement à travers des essaims entiers. C’est un trait rare – il n’y a qu’une poignée d’espèces de ce type en Amérique du Nord – et les lumières saisissantes qu’elles produisent attirent les foules vers des endroits où les insectes sont connus pour se rassembler.

    Ils ont également suscité l’intérêt des mathématiciens cherchant à comprendre comment ils synchronisent leurs clignements. Ce n’est qu’un exemple de la façon dont la synchronisation peut évoluer à partir du hasard, un processus qui intrigue les mathématiciens depuis des siècles. Un exemple célèbre des années 1600 a montré que les horloges à pendule accrochées les unes à côté des autres se synchronisent grâce aux vibrations qui traversent le mur, et la même branche des mathématiques peut être utilisée pour décrire tout, de l’action des intestins aux applaudissements des membres du public.

    « La synchronie est importante pour beaucoup de choses, bonnes et mauvaises », a déclaré le co-auteur Bard Ermentrout, éminent professeur de mathématiques à la Dietrich School. « Physiciens, mathématiciens, nous sommes tous intéressés par la synchronisation. »

    Pour casser le spectacle de lumière des lucioles, l’équipe Pitt a utilisé un modèle plus complexe appelé « éclateur elliptique » qui est utilisé pour décrire le comportement des cellules cérébrales. Le duo, ainsi que Madeline McCrea (A&S ’22), alors étudiante au premier cycle, ont publié les détails de leur modèle le 26 octobre dans le Journal de l’interface de la société royale.

    La première étape consistait à simuler les clignotements d’une seule luciole, puis à développer une paire pour voir comment ils correspondaient à leurs taux de clignotement. Ensuite, l’équipe s’est déplacée vers un plus grand essaim d’insectes simulés pour voir comment le nombre, la distance et la vitesse de vol affectent les clignements résultants.

    Varier les distances que chaque luciole pouvait « voir » les unes les autres et se répondre les unes aux autres modifiait le spectacle lumineux des insectes, ils ont découvert : En ajustant les paramètres, ils pouvaient produire des motifs de clignotements qui ressemblaient à des ondulations ou à des spirales.

    Les résultats correspondent à plusieurs observations récemment publiées sur les lucioles synchrones de la vie réelle – par exemple, que les lucioles individuelles sont incohérentes tandis que les groupes clignotent plus régulièrement, et que lorsque de nouvelles lucioles rejoignent l’essaim, elles sont déjà parfaitement dans le temps.

    « Il a capturé beaucoup de détails plus fins qu’ils ont vus dans la biologie, ce qui était cool », a déclaré Ermentrout. « On ne s’attendait pas à ça. »

    Les mathématiques font également des prédictions qui pourraient éclairer la recherche sur les lucioles – par exemple, la pollution lumineuse et l’heure de la journée peuvent modifier les modèles produits par les lucioles en changeant la façon dont elles peuvent voir les clignements des uns des autres.

    McCrea a travaillé sur la recherche en tant qu’étudiante de premier cycle soutenue par la bourse de peintre du département, qui lui a accordé un financement pour travailler sur le projet tout au long de l’été. « Elle était géniale de travailler sur ce projet et vraiment persévérante », a déclaré Rubin.

    L’équipe est la première à utiliser ce cadre particulier de cellules cérébrales pour modéliser les lucioles, que plusieurs équipes de recherche tentent de comprendre en utilisant différents types de mathématiques. « C’est plus un sujet de recherche sur le Far West », a déclaré Ermentrout. « C’est le début, et qui sait où les choses vont aller à partir d’ici? »

    Ermentrout et Rubin espèrent également que les mathématiques captiveront l’imagination de ceux qui s’inspirent de la lueur des lucioles. Au milieu de ce projet, Rubin lui-même a décidé de se rendre à Cook State Forest pour voir s’il pouvait repérer ses sujets de recherche de première main.

    « J’ai convaincu ma femme de partir en voyage pendant quelques jours en pleine saison », a-t-il déclaré. « Il n’est pas clair que nous ayons jamais vu une activité synchronisée, mais il y avait toutes sortes de lucioles autour de nous. C’était incroyable. »

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