اخبار علمی، فناوری و تکنولوژی

در این وبلاگ جدیدترین دانستنی‌های علمی باحال و جدیدترین اخبار علمی و فناوری و تکنولوژی روز منتشر می شود. مطالبی که در این وبلاگ منتشر می شود بیشتر در زمینه تکنولوژی مثل موبایل، کامپیوتر و همچنین در زمینه مباحث علمی مختلف است، امیدوارم لذت ببرید.

بایگانی

کرم‌های شب تاب چگونه میدرخشند؟

تحقیقات جدید سرنخ هایی از درخشیدن همزمان در کرم های شب تاب را نشان می دهد و تأیید می کند که شکل جدیدی از همزمانی کایمریک به طور طبیعی رخ می دهد.

به اعتقاد ژاپنی ها، کرم شب تاب نماد روح در حال پرواز یا عشق خاموش و سوزان است. برخی از فرهنگ های بومی در پرو آنها را چشم ارواح می دانند. در میان فرهنگ های مختلف غربی، کرم شب تاب، کرم شب تاب، و سایر سوسک های بیولومنسنت با مجموعه ای جذاب و گاه متناقض از تداعی های استعاری همراه بوده اند.

همانطور که در بررسی سال 2016 ذکر شد، این موجودات با مفاهیمی مانند دوران کودکی، برداشت محصول، سرنوشت، جن، ترس، تغییر زیستگاه، چکامه، عشق، شانس، مرگ و میر، فحشا، دگرگونی، ستارگان و فناپذیری مرتبط هستند. فیزیکدانان به دلایلی که ممکن است کمی عرفانی به نظر برسد به کرم شب تاب احترام می گذارند: از حدود 2200 گونه پراکنده در سرتاسر کره زمین، تنها تعداد انگشت شماری نشان داده شده است که به صورت هماهنگ می درخشند.

در مالزی و تایلند، جنگل های حرا پر از کرم شب تاب می توانند به طور منظم سوسو بزنند. انگار با چراغ های کریسمس تزئین شده اند. هر تابستان در آپالاشیا، امواج هماهنگی وهم‌آور کرم‌های شب‌تاب در مزارع و جنگل‌ها می‌پیچد. این درخشش کرم های شب تاب که از آن برای جذب جفت استفاده می کنند و چشم انسان را نیز خیره می کند، دانشمندان را به تلاش برای توضیح همزمانی سوق داده است: قدرتی جادویی که از طریق آن همزمانی از ساده ترین اجزای منفرد ناشی می شود.

اوریت پلگ زمانی را به یاد می آورد که زمانی که در حال تحصیل در رشته فیزیک و علوم کامپیوتر بود، به رمز و راز درخشش همزمان کرم شب تاب برخورد کرد. در کتاب دینامیک غیرخطی و هرج و مرج که توسط ریاضیدان استیون استروگاتز نوشته شده است، کرم شب تاب به عنوان نمونه ای از چگونگی دستیابی سیستم های ساده به همگام سازی ذکر شده است. پلگ هرگز کرم شب تاب ندیده بود. زیرا در منطقه ای که آن را پرورش داده اند، این کرم ها کمیاب هستند. او گفت: «آنقدر زیبا بود که سال ها در ذهنم ماند.

هنگامی که پلگ آزمایشگاه خود را در دانشگاه کلرادو راه اندازی کرد، متوجه شد که اگرچه کرم شب تاب از ریاضیات الهام گرفته است، اما داده های کمی برای توصیف آنچه که حشرات واقعا انجام می دهند کمیاب است.

اوریت پلگت توسعه دهنده تحقیقات کرم شب تاپ

اوریت پلگ - زیست شناس محاسباتی از دانشگاه کلرادو

پلگ تصمیم گرفت تا در مورد این موضوع بیشتر بداند. طی دو سال گذشته، مجموعه‌ای از مقالات منتشر شده توسط گروه Peleg، سیلی از داده‌های دنیای واقعی را در مورد همزیستی گونه‌های متعدد کرم‌های شبانه در مکان‌های مطالعاتی متعدد، با وضوح بسیار بالاتر، در دسترس جامعه علمی قرار داده است. بالاتر از آنچه در بالا ذکر شد. توسط مدل سازان یا زیست شناسان. Bard Ermentroth، زیست ریاضیدان در دانشگاه پیتسبورگ، نتایج این تیم را بسیار شگفت‌انگیز خواند. اندرو مویزوف، زیست شناس دانشگاه کانکتیکات گفت: «من شگفت زده شدم».

مقالات تیم پلگ نشان می دهد که توده های کرم شب تاب واقعی با ایده آل سازی های ریاضی که برای دهه ها در مجلات و کتاب های درسی تبلیغ شده اند، فاصله زیادی دارند. به عنوان مثال، تقریباً تمام مدل‌های توسعه‌یافته برای همگامی کرم شب تاب فرض می‌کنند که هر کرم شب تاب مترونوم داخلی خود را دارد.

با این حال، یک مقاله مقدماتی که توسط گروه Peleg در ماه مارس منتشر شد، نشان داد که حداقل در یک گونه، کرم شب‌تاب‌های منفرد فاقد ریتم ذاتی هستند و این فرضیه را مطرح کرد که ضربان قلب جمعی تنها از همکاری شبح‌آلود بسیاری از حشرات درخشان نشات می‌گیرد.

یک پیش چاپ جدیدتر که برای اولین بار در ماه مه آپلود شد و هفته گذشته به روز شد، نوع نادری از همزمانی را گزارش می کند که ریاضیدانان آن را "حالت chimera" می نامند که تقریباً هرگز در دنیای واقعی خارج از آزمایش های شبیه سازی شده دیده نشده است.

زیست شناسان کرم شب تاب امیدوارند روش های جدید به افزایش دانش در مورد کرم شب تاب و حفاظت از آنها کمک کند. در همین حال، ریاضیدانانی که نظریه های همزمانی را توسعه داده اند، مانند آنچه استراتس در کتاب درسی خود توضیح می دهد، این کار را بدون بازخورد تجربی زیادی از نمونه های دنیای واقعی انجام داده اند.

تست همزمانی سخت

در گفتمان علمی غرب، گزارش هایی از چشمک زدن یکپارچه کرم شب تاب در آسیای جنوب شرقی به قرن ها قبل بازمی گردد. هزاران کرم شب تاب که در زبان مالزیایی به نام کلیپ (به معنی چشمک زدن) شناخته می شوند، ممکن است در درختان کنار رودخانه ساکن شوند. یک دیپلمات انگلیسی در سفر به تایلند در سال 1857 نوشت: "نور آنها با همدردی مشترک روشن می شود و سپس خاموش می شود. در یک لحظه به نظر می رسد هر برگ و شاخه ای با آتش مانند الماس تزئین شده است."

همه این گزارش ها را نپذیرفته اند. در نامه‌ای در سال 1917 به مجله Science در مخالفت با این ایده‌ها، بیان شد که «تعداد چنین چیزی در میان حشرات مغایر با تمام قوانین طبیعت است» و نویسندگان استدلال کردند که تأثیر ظاهری ناشی از درخشیدن غیرارادی حشرات است. . مشاهده کننده. با این حال، در دهه 1960، محققان این موضوع را از طریق تجزیه و تحلیل کمی مشاهدات قایق‌رانان محلی در جنگل‌های حرا تأیید کردند.

سناریوی مشابهی در دهه 1990 رخ داد. در این زمان، لین فاوست، طبیعت‌شناس، ادعای منتشر شده توسط دانشمند جان کوپلند مبنی بر وجود هیچ کرم شب‌تابی هماهنگ‌شده در آمریکای شمالی را خواند. فاوست در آن زمان می‌دانست که آنچه او برای دهه‌ها در جنگل‌های مجاور می‌دید، پدیده‌ای نادر است. فاوست از کوپلند و مویزف دعوت کرد تا گونه‌ای را در کوه‌های دودی بزرگ به نام Photinus carolinus ببینند.

انبوهی از کرم شب تاب نر جنگل ها و فضاهای بی درخت جنگل را پر می کند و تقریباً در ارتفاع انسان معلق هستند. این کرم شب‌تاب‌ها به‌جای اینکه یک‌باره روشن شوند، در عرض چند ثانیه جرقه‌های سریعی را خاموش می‌کنند، سپس برای مدتی خاموش می‌شوند تا فوران نور دیگری را شروع کنند. آزمایش‌های Copeland و Moissef نشان داد که شب‌تاب‌های فوتینوس کارولینوس جدا شده در واقع تلاش می‌کردند به موقع با کرم شب تاب همسایه خود (یا LED چشمک‌زن) در شیشه‌ای نزدیک پلک بزنند.

نور کرم های شب تاب

این تیم همچنین دوربین‌های فیلمبرداری با حساسیت بالا را در لبه‌های مزارع و جنگل‌ها نصب کردند تا فلاش‌های کرم شب‌تاب را ضبط کنند. کوپلند فریم به فریم فیلم را مرور کرد و شمارش کرد که در هر لحظه چند کرم شب تاب می درخشند. تجزیه و تحلیل آماری این داده‌های جمع‌آوری‌شده با دقت نشان داد که همه کرم‌های شب‌تابی در میدان دید دوربین‌ها در فواصل منظم و همبسته، انفجارهای نوری را منتشر می‌کنند.

دو دهه بعد، زمانی که پلگ و فیزیکدان رافائل سارفاتی شروع به جمع آوری داده ها در مورد کرم شب تاب کردند، فناوری های بهتری در دسترس بودند. آنها سیستمی متشکل از دو دوربین GoPro طراحی کردند که چند فوت از هم فاصله داشتند. از آنجایی که این دوربین‌ها به صورت 360 درجه فیلم‌برداری می‌کنند، می‌توانند پویایی انبوهی از کرم‌های شب‌تاب را از داخل و نه فقط از کناره عکس بگیرند.

سرفتی به جای شمارش دستی فلاش ها، الگوریتم پردازشی ابداع کرد که می توانست بر روی فلاش کرم شب تاب ثبت شده توسط دوربین تمرکز کند و نه تنها زمان وقوع فلاش، بلکه محل وقوع آن را در فضای سه بعدی نیز نشان دهد. سرفتی برای اولین بار این سیستم را در ژوئن 2019 به مزرعه تنسی که توسط فاوست معروف شده بود آورد تا از کرم شب تاب Photinus carolinus فیلمبرداری کند. اولین بار بود که این صحنه دیدنی را با چشمان خود می دید.

سرفتی چیزی شبیه صحنه های شدید همزمان شب تاب های آسیایی را تصور کرده بود. اما انفجارهای تنسی نامنظم‌تر بودند و با هشت بار چشمک زدن سریع در یک دوره زمانی حدوداً چهار ثانیه‌ای منفجر شدند که تقریباً هر 12 ثانیه تکرار می‌شد. با این حال، هرج و مرج هیجان انگیز بود: به عنوان یک فیزیکدان، او احساس می کرد که یک سیستم با نوسانات طبیعی خود ممکن است آموزنده تر از یک سیستم کاملاً رفتاری باشد.

نورهای چشمک زن تصادفی، اما هماهنگ

به عنوان یک دانش آموز، پلگ برای اولین بار با مدلی که توسط فیزیکدان ژاپنی یوشکی کوراموتو پیشنهاد شده بود، درک کرم شب تاب همزمان را آموخت. کار کراموتو بر اساس تحقیقات زیست شناس آرت وینفری بود. این مدل توضیح می‌دهد که چگونه همزمانی اغلب می‌تواند به‌طور اجتناب‌ناپذیر در همه چیز از خوشه‌ای از سلول‌های در حال حرکت در قلب انسان تا جریان‌های متناوب ایجاد شود.

در ابتدایی ترین شکل خود، مدل های سیستم های همزمان نیاز به توصیف دو فرآیند دارند. یکی پویایی درونی یک فرد است. در این حالت، کرم شب تاب تنها در داخل شیشه توسط یک قانون فیزیولوژیکی یا رفتاری کنترل می شود که تعیین می کند چه زمانی باید پلک بزند. دومی چیزی است که ریاضی‌دانان آن را «زوج» می‌نامند، روشی که درخشش یک کرم شب‌تاب بر همسایگانش تأثیر می‌گذارد. با ترکیب تصادفی این دو قسمت، گروهی از بازیگران مختلف می توانند به سرعت به صورت منظم عمل کنند.

در توصیفی شبیه به کراموتو، هر کرم شب تاب فردی به عنوان یک نوسانگر دیده می شود که دارای ضربان ترجیحی ذاتی است. کرم شب تاب را به عنوان یک آونگ مخفی در نظر بگیرید که به طور مداوم در داخل آنها می چرخد. تصور کنید هر بار که آونگ در قوس خود حرکت می کند حشره پلک می زند. همچنین فرض کنید که آونگ تنظیم کننده سرعت کرم شب تاب وقتی چشمک زدن همسایه خود را می بیند سریعتر به جلو یا عقب می چرخد.

بنابراین حتی اگر کرم شب تاب در ابتدا هماهنگ نباشند و ریتم های داخلی ترجیحی آنها به طور جداگانه متفاوت باشد، گروهی که توسط این قوانین هدایت می شوند اغلب در نهایت یک الگوی چشمک زدن هماهنگ را اجرا می کنند. نسخه‌های این طرح در طول سال‌ها ظاهر شده‌اند، با دینامیک داخلی و قوانین جفت کمی متفاوت.

در سال 1990، Struggetts و همکارش Renee Mirolo از کالج بوستون نشان دادند که یک مجموعه بسیار ساده از نوسانگرهای شب تاب مانند، اگر به هر طریقی متصل شوند، تقریباً همیشه بدون در نظر گرفتن تعداد، به صورت هماهنگ عمل می کنند. سال بعد، Ermentroth توضیح داد که چگونه گروه هایی از شب تاب های Pteroptyx malaccae در جنوب شرقی آسیا می توانند با افزایش یا کاهش فرکانس داخلی خود همگام شوند.

کوشیکی کاروماتو

در سال 2018، گروهی به سرپرستی گونزالو مارسلو رامیرز اویلا از دانشگاه سن آندرس در بولیوی، طرحی پیچیده‌تر را طراحی کردند که در آن کرم‌های شب‌تابی در حین درخشیدن بین حالت‌های شارژ و تخلیه در نوسان هستند. اما زمانی که دوربین های پلگ و سرفتی در سال 2019 شروع به ضبط داده های سه بعدی از کرم شب تاب Photinus carolinus در کوه های دودی بزرگ کردند، تجزیه و تحلیل آنها الگوهای جدیدی را نشان داد.

یک مورد آنچه را که فاوست و دیگر طبیعت‌شناسان کرم شب‌تاب از مدت‌ها قبل گزارش کرده بودند تأیید کرد: فوران چشمک‌ها اغلب در یک نقطه شروع می‌شوند و سپس با سرعت نیم متر در ثانیه در جنگل می‌پیچند. این امواج سرایت نشان می دهد که جفت گیری کرم شب تاب نه کاملاً جهانی است (به طوری که کل ازدحام به هم متصل می شود) و نه کاملاً محلی (به طوری که هر کرم شب تاب فقط به همسایگان نزدیک خود اهمیت می دهد).

در عوض، به نظر می‌رسید که کرم شب‌تاب‌ها در ترکیبی از فواصل به کرم‌های شب‌تابی دیگر پاسخ می‌دهند، که می‌تواند به این دلیل باشد که کرم‌های شب‌تاب فقط می‌توانستند فلاش‌هایی را ببینند که در امتداد خط دید سالم رخ می‌دهند. در جنگل، پوشش گیاهی اغلب مانع می شود و خط دید را می شکند.

علاوه بر این، به نظر نمی رسد کرم شب تاب Photinus carolinus با یکی از فرضیه های اصلی نسخه های مختلف مدل های کراموتو مطابقت داشته باشد: کرم شب تاب آسیای جنوب شرقی هر فلش نور را با تناوب داخلی ایجاد می کند، اما کرم شب تاب تنسی اینطور نیست.

وقتی پلگ و سرفتی یک کرم شب تاب فوتینوس کارولینوس را در چادر رها کردند، ریتم دقیقی نداشت و به طور تصادفی درخشید. گاهی فقط چند ثانیه و گاهی چند دقیقه صبر می کردم. Strugets گفت: "این مشاهده ما را به خارج از قلمرو مدل های موجود می برد." اما زمانی که تیم 15 یا بیشتر کرم شب تاب را به فروشگاه پرتاب کرد، کل فروشگاه با انفجارهای جمعی نور با فاصله حدود 12 ثانیه روشن شد.

این همزمانی و تناوب گروه ها محصول ظهور کرم های شب تاب بود که در کنار یکدیگر قرار داشتند. برای تعیین اینکه چگونه این اتفاق می افتد، گروه Peleg با فیزیکدان Srividya Iyer Biswas از دانشگاه پوردو تماس گرفتند. Kunal Joshi، دانشجوی دکترای Iyer Biswas، داده های میدانی خود را تجزیه و تحلیل کرد و مدل جدیدی برای تناوب ظهور کرم شب تاب ایجاد کرد، که دانشمندان بهار گذشته آن را در سرور prepapers biorxiv آپلود کردند.

مدل زمان بندی درخشش کرم شب تاب

یک کرم شب تاب منفرد را تصور کنید که به تازگی برق از خود ساطع کرده است و قوانین زیر را در نظر بگیرید. اگر اکنون آن را از برق جدا کنید، قبل از اینکه دوباره چشمک بزند، مدت زمان تصادفی منتظر می ماند. اگرچه حداقل زمان انتظاری وجود دارد که حشره برای شارژ مجدد اندام تولید کننده نور خود نیاز دارد. این کرم شب تاب به فشار همتایان نیز حساس است: اگر ببیند کرم شب تاب دیگری شروع به درخشیدن می کند، تا زمانی که از نظر فیزیکی بتواند چشمک می زند.

حالا یک میدان کامل از کرم شب تاب را در تاریکی مطلق درست پس از انفجار نور تصور کنید. اکنون هر کدام یک زمان تصادفی طولانی تر از دوره شارژ را انتخاب می کنند. با این حال، هر کسی که اول پلک می‌زند باعث می‌شود بقیه بلافاصله دنبال کنند.

تمام این فرآیند هر بار که میدان تاریک می شود تکرار می شود. با افزایش تعداد کرم‌های شب‌تاب، احتمال اینکه حداقل یکی از آنها به‌طور تصادفی انتخاب کند تا در اسرع وقت از نظر بیولوژیکی دوباره پلک بزند، به طور تصاعدی افزایش می‌یابد و باعث می‌شود بقیه نیز این کار را انجام دهند. در نتیجه، زمان بین انفجارها به سمت حداقل زمان انتظار کوتاه می شود.

هر دانشمندی که این صحنه را مشاهده کند، چیزی را خواهد دید که به نظر می رسد ریتم ثابتی از غرق شدن نور در تاریکی و سپس انفجار تاریکی با نور است. پیش چاپ دوم توسط Peleg الگوی عجیب دیگری را نشان داد. در پارک ملی Congery در کارولینای جنوبی، تیم Peleg در حال آزمایش تجهیزات بر روی کرم شب تاب Photuris frontalis بودند که متوجه چیز عجیبی شدند. او گفت:

    یادم می آید که از گوشه چشمم دیدم که کرم شب تاب کوچکی وجود دارد که با بقیه هماهنگ نیست. اما او هنوز به موقع است.

تجزیه و تحلیل تیم نشان داد که در حالی که گروه اصلی کرم شب تاب به طور ریتمیک پلک می زند، برخی از افراد از ادامه دادن خودداری می کنند. آنها در یک فضای مشترک حضور داشتند و با سرعت خودشان و خارج از سمفونی که آنها را احاطه کرده بود اجرا می کردند. گاهی به نظر می رسید که این زندانیان با یکدیگر همگام هستند و گاهی هم ناهماهنگ پلک می زدند. گروه Peleg این را به عنوان "حالت chimera" توصیف می کند.

حالت chimera شکلی از همزمانی است که برای اولین بار در سال 2001 توسط کراموتو و دانشجوی فوق دکتری او دورجسورن باتگتوخ ارائه شد و در سال 2004 توسط استراتس و ریاضیدان دانشگاه نورث وسترن دانیل آبرامز به عنوان مدل های ریاضی توصیف شد. برخی گزارش‌های دانشمندان علوم اعصاب ادعا می‌کنند که این نوع همگام‌سازی واهی را تحت شرایط آزمایشی خاصی در فعالیت سلول‌های مغز مشاهده کرده‌اند. اما چنین چیزی در طبیعت هرگز مشاهده نشده است.

روشن نیست که چرا ماهیت تکامل این حالت ترکیبی همگام سازی را بر حالت یکنواخت ترجیح می دهد. اما حتی همگام سازی ابتدایی همیشه یک معمای تکاملی را مطرح کرده است: این همگام سازی چگونه به مردان کمک می کند تا خود را به جفت های بالقوه نشان دهند؟ Peleg پیشنهاد می کند که مطالعاتی که در مورد الگوهای رفتاری کرم شب تاب ماده، نه فقط نر، بررسی می شود، ممکن است در این زمینه آموزنده باشد. گروه او با کرم شب تاب P. carolinus شروع شد. اما این کار با گونه مستعد chimaera P. frontalis هنوز انجام نشده است.

مدل سازان قصد دارند الگوهای مشاهده شده کرم شب تاب را در چارچوب های جدید و اصلاح شده بگنجانند. Ermentroth مقاله ای در دست بررسی دارد که توصیف ریاضی متفاوتی از Photinus Carolinus ارائه می دهد. او فرض می کند که به جای انتظار برای زمان صرفا تصادفی فراتر از حداقل زمان اجباری مورد نیاز برای بارگذاری مجدد، اشکالات فقط نوسانگرهای تصادفی پر سر و صدا هستند. سپس، هنگامی که کرم شب تاب به هم می چسبند، می توانند مانند چراغ های چشمک زن معمولی عمل کنند.

در شبیه سازی های کامپیوتری، این مدل با داده های گروه Peleg نیز مطابقت دارد. Ermentrout گفت: "حتی اگر برنامه ریزی نشده باشد، الگوها مانند امواج می آیند." زیست شناسان می گویند که الگوریتم پلگ و سرفتی و سیستم دوربین ارزان قیمت می تواند در ترویج و محبوبیت تحقیقات کرم شب تاب کمک زیادی کند. مطالعه کرم شب تاب در طبیعت دشوار است. زیرا شناسایی گونه ها از روی الگوی درخشش آنها بسیار دشوار است، به جز برای محققان بسیار متعهد و علاقه مندان سرسخت.

این امر اندازه گیری دامنه و فراوانی جمعیت کرم شب تاب را به چالش می کشد، حتی زمانی که بسیاری از گونه های کرم شب تاب ممکن است در خطر انقراض باشند. سیستم جدید می تواند جمع آوری، تجزیه و تحلیل و به اشتراک گذاری داده های چشمک زن شب تاب را آسان تر کند. در سال 2021، سرفتی از این سیستم برای تأیید گزارشی از آریزونا استفاده کرد که نشان می‌داد رفتار هماهنگ زمانی رخ می‌دهد که تعداد کافی کرم شب‌تاب محلی (گونه‌های Photinus knulli) جمع شوند.

امسال، Peleg Labs 10 نسخه از سیستم دوربین را برای محققان کرم شب تاب در ایالات متحده ارسال کرد. آنها اکنون در حال دریافت اطلاعات از نمایش های نوری هستند که توسط هشت گونه کرم شب تاب در تابستان امسال تولید شده است. گروهی از محققان یادگیری ماشین در آزمایشگاه حفاظت از Peleg در حال تلاش برای آموزش الگوریتمی برای شناسایی گونه ها بر اساس الگوهای روشنایی آنها در ضبط ویدیو هستند.

مدل‌های ایده‌آل‌شده از کرم‌های شب‌تاب برای دهه‌ها الهام‌بخش نظریه‌های ریاضی بوده‌اند. پلگ امیدوار است که حقایق ظریف تری که اکنون در حال ظهور هستند نتایج به همان اندازه سودمند داشته باشند. موسف می‌گوید یادگیری نحوه همگام‌سازی آنها می‌تواند منجر به درک بهتر رفتار خودسازماندهی در موجودات دیگر شود.

 
 

 

 

  • هاشم قربانی

دانستنی های علمی

کرم شب تاب

نظرات  (۰)

هیچ نظری هنوز ثبت نشده است

ارسال نظر

ارسال نظر آزاد است، اما اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید می توانید ابتدا وارد شوید.
تجدید کد امنیتی