萤火虫同步闪烁，背后藏着数学奥秘，科学家用三维重建揭秘

摘要：在美国东部的春夏交界时节，夜幕降临时，大雾山国家公园的林间便有成千上万只萤火虫整齐划一地闪烁。这对科学家产生了很大影响，这场景是一个更深远的课题：同步闪烁的规律是否可以用数学模型来描述？

成千上万只萤火虫在林间整齐划一地闪烁，真的是自然的偶然吗？还是隐藏着某种数学规律？

在美国东部的春夏交界时节，夜幕降临时，大雾山国家公园的林间便有成千上万只萤火虫整齐划一地闪烁。这对科学家产生了很大影响，这场景是一个更深远的课题：同步闪烁的规律是否可以用数学模型来描述？

上世纪初，西方科学界最初听说亚洲热带地区存在“成群萤火虫同步发光”时，将其视作错觉。他们不相信数百个个体可以毫无组织地一起闪烁。美国生物学家约翰·巴克（John Buck）和他的妻子伊丽莎白（Elisabeth Buck）在泰国进行实地观察，带回了萤火虫放入室内进行实验。他们记录到一个清晰过程：各自为营的个体，最终会变为一致节奏。这为后来的理论模型和实证研究打下了基础。

日本京都大学的物理学家藏本由纪提出了一个名为“"藏本模型”的数学理论。这个模型用于解释为什么一群拥有不同频率的个体，能够在不被统一指挥的情况下，自发走向同步状态。模型本身当时只是纯数学推导。藏本本人也承认，他从未想过这个模型会真正反映自然界现象。几十年后，观测技术不断进步，这一模型也在被不断验证，扩展到了心脏细胞、神经元、超导体电子等系统中。

科罗拉多大学博尔德分校的奥里特·佩莱格（Orit Peleg）开启了一个多学科研究项目。她的团队携带帐篷、捕网、专业摄像设备，深入美国南部的国家森林，尝试将三维重建技术引入到萤火虫行为的研究中。以往的研究多依赖二维录像，难以判断个体间的真实距离，无法描述同步行为的传播途径。佩莱格选择研究的物种是卡罗莱纳萤火虫（Photinus carolinus），这是一种雄性会在空中同步发光、雌性在植被间做出回应的萤火虫。

团队通过多台摄像机记录和建模后发现，萤火虫的同步不是严格意义上的同时发生，它们如同体育场中“人浪”一样沿着空间缓慢传播。传播途径会受到树木、地形等障碍影响被中断。这一观察结果很重要，因为它直接支持了一种理论：个体通过感知视觉信号来实现局部同步，逐步带动整体节奏趋同。

佩莱格与合作者拉斐尔·萨尔法蒂（Raphaël Sarfati）与朱莉·海耶斯（Julie C. Hayes）共同发表研究成果。他们指出，当萤火虫密度达到某一临界值时，才会出现大规模同步现象。个体稀疏分布，尽管它们具备同步能力，因为感知半径内“没有伙伴”，同步也无从谈起。这个结果首次将“同步”现象与“密度-反馈机制”建立了明确联系。

后来佩莱格和萨尔法蒂又在南卡罗来纳州的康加里国家公园，观察到了一个不同寻常的现象：同一片区域中，有一部分萤火虫群体保持同步，另一部分则始终未被“带动”起来。这个现象被称作“奇异态”（chimera state），最初由藏本模型在理论上预测，指的是同一系统中同步与非同步状态并存。佩莱格指出，这种共存状态持续了近半小时，远超个体发光的节奏间隔，说明这是一种系统性的分化。