Uma nova explicação para como os vaga-lumes piscam em sincronia

Um cenário semelhante ocorreu na década de 1990, quando um naturalista do Tennessee chamado Lynn Faust leu a confiante afirmação publicada de um cientista chamado Jon Copeland de que não havia vagalumes sincronizados na América do Norte. Faust soube então que o que ela havia observado por décadas na floresta próxima era algo notável.

Faust convidou Copeland e Moiseff, seu colaborador, para ver uma espécie nas Montanhas Great Smoky chamada Photinus carolinus. Nuvens de vaga-lumes machos preenchem florestas e clareiras, flutuando mais ou menos na altura humana. Em vez de piscar em estreita coordenação, esses vaga-lumes emitem uma explosão de flashes rápidos em alguns segundos, depois ficam quietos por várias vezes antes de soltar outra explosão. (Imagine uma multidão de paparazzi esperando que as celebridades apareçam em intervalos regulares, tirando uma salva de fotos a cada aparição e, em seguida, girando os polegares no tempo de inatividade.)

Os experimentos de Copeland e Moiseff mostraram que isolados P. carolinus os vaga-lumes realmente tentaram piscar no ritmo de um vaga-lume vizinho – ou um LED piscando – em uma jarra próxima. A equipe também instalou câmeras de vídeo de alta sensibilidade nas bordas dos campos e clareiras da floresta para gravar flashes. Copeland examinou a filmagem quadro a quadro, contando quantos vaga-lumes foram iluminados a cada momento. A análise estatística desses dados minuciosamente coletados provou que todos os vaga-lumes dentro da visão das câmeras em uma cena realmente emitiam rajadas de flash em intervalos regulares e correlacionados.

Duas décadas depois, quando Peleg e seu pós-doutorando, o físico Raphaël Sarfati, começaram a coletar dados sobre vaga-lumes, uma tecnologia melhor estava disponível. Eles projetaram um sistema de duas câmeras GoPro colocadas a poucos metros de distância. Como as câmeras gravavam vídeos em 360 graus, elas podiam capturar a dinâmica de um enxame de vaga-lumes de dentro, não apenas de lado. Em vez de contar os flashes manualmente, Sarfati desenvolveu algoritmos de processamento que podiam triangular os flashes dos vaga-lumes capturados por ambas as câmeras e registrar não apenas quando cada piscada acontecia, mas onde ela ocorria no espaço tridimensional.

Sarfati trouxe pela primeira vez este sistema para o campo no Tennessee em junho de 2019 para o P. carolinus vaga-lumes que Fausto tornara famoso. Foi a primeira vez que viu o espetáculo com os próprios olhos. Ele havia imaginado algo como as cenas estreitas de sincronia do vaga-lume da Ásia, mas as rajadas do Tennessee eram mais confusas, com rajadas de até oito flashes rápidos em cerca de quatro segundos repetidos aproximadamente a cada 12 segundos. No entanto, essa confusão era empolgante: como físico, ele achava que um sistema com flutuações selvagens poderia ser muito mais informativo do que um que se comportasse perfeitamente. “Foi complexo, confuso em certo sentido, mas também bonito”, disse ele.

Flashes aleatórios, mas simpáticos

Em sua experiência de graduação com a sincronização de vaga-lumes, Peleg aprendeu a entendê-los por meio de um modelo formalizado pelo físico japonês Yoshiki Kuramoto, com base no trabalho anterior do biólogo teórico Art Winfree. Este é o ur-modelo de sincronia, o avô dos esquemas matemáticos que explicam como a sincronia pode surgir, muitas vezes de forma inexorável, em qualquer coisa, desde grupos de células marca-passo em corações humanos até correntes alternadas.

Em sua forma mais básica, os modelos de sistemas síncronos precisam descrever dois processos. Uma delas é a dinâmica interna de um indivíduo isolado – neste caso, um vaga-lume solitário em uma jarra, governado por uma regra fisiológica ou comportamental que determina quando ele pisca. A segunda é o que os matemáticos chamam de acoplamento, a forma como o brilho de um vaga-lume influencia seus vizinhos. Com combinações fortuitas dessas duas partes, uma cacofonia de diferentes agentes pode rapidamente se transformar em um refrão puro.

Yoshiki Kuramoto, professor de física na Universidade de Kyoto, desenvolveu o modelo mais famoso de sincronização na década de 1970 e co-descobriu o estado quimera em 2001.
Fotografia: Tomoaki Sukezane

Em uma descrição do estilo Kuramoto, cada vaga-lume individual é tratado como um oscilador com um ritmo preferencial intrínseco. Imagine os vaga-lumes como tendo um pêndulo oculto balançando firmemente dentro deles; imagine que um inseto pisca toda vez que seu pêndulo passa pela parte inferior de seu arco. Suponha também que ver um flash vizinho puxa o pêndulo do vaga-lume um pouco para frente ou para trás. Mesmo que os vagalumes comecem fora de sincronia uns com os outros, ou que seus ritmos internos preferidos variem individualmente, um coletivo regido por essas regras frequentemente convergirá em um padrão de flash coordenado.

Várias variações desse esquema geral surgiram ao longo dos anos, cada uma aprimorando as regras da dinâmica interna e do acoplamento. Em 1990, Strogatz e seu colega Rennie Mirollo, do Boston College, provaram que um conjunto muito simples de osciladores parecidos com vaga-lumes quase sempre sincronizavam se você os interconectasse, não importa quantos indivíduos fossem incluídos. No ano seguinte, Ermentrout descreveu como grupos de Pteroptyx malaccae vaga-lumes no Sudeste Asiático podem sincronizar acelerando ou diminuindo suas frequências internas. Em 2018, um grupo liderado por Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila, da Universidade Superior de San Andrés, na Bolívia, desenvolveu um esquema mais complicado no qual os vaga-lumes alternavam entre um estado de “carga” e um estado de “descarga”, durante o qual eles brilhou.

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