Стівен строгац ритм всесвіту
Світлячки і неминучість синхронизма
«Приблизно двадцять років тому я побачив - чи мені здалося, що побачив - синхронне, або одночасне, мерехтіння світлячків. Я не міг повірити своїм очам, оскільки можливість такого явища серед комах, безсумнівно, суперечить будь-яким законам природи »1.
Протягом декількох десятиліть ніхто не міг сформулювати досить правдоподібну теорію, яка проливала б світло на це загадкове явище. Лише в 1961 р Джой Адамсон в продовженні своєї повісті Born Free ( «Народжена вільною») дивувалася тому ж явищу, яке вона спостерігала на африканському континенті 6 (до речі, її опис синхронного мерехтіння світлячків на африканському континенті є першим).
смуга світла шириною близько десяти футів, утворена тисячами тисяч світлячків, зелене фосфоресцирующее світіння яких створює чудовий по красі покрив на високій, по пояс, траві. Флуоресціююча смуга, створена цими крихітними організмами, раз по раз спалахує і згасає з вражаючою за своєю точністю синхронністю. Залишається лише дивуватися, якими засобами комунікації повинні володіти ці крихітні істоти, щоб вони могли координувати свою мерехтіння так, немов ними керує якась механічний пристрій.
До кінця 1960-х років з окремих фрагментів цього пазла почала вимальовуватися якась картина. Одна з підказок була настільки очевидною, що майже ніхто не звернув на неї уваги. Синхронні світлячки мерехтіли не тільки в унісон - вони мерехтіли в певному ритмі, в постійному темпі. Навіть коли вони були ізольовані один від одного, вони продовжували мерехтіти синхронно. З цього випливає, що кожне комаха має у своєму розпорядженні своїм власним коштом визначення ходу часу, свого роду внутрішнім годинниковим механізмом. Цей гіпотетичний осцилятор до сих пір не визначено анатомічно, але майже напевно він повинен представляти собою якийсь кластер нейронів, що знаходиться десь в крихітному мозку комахи. Багато в чому подібний природному задатчику ритму в серці людини, цей осцилятор діє на певній частоті, виробляючи електричні сигнали ритму, які надходять на светоелементом світлячка 7 і призводять до його періодичному спрацьовування ( «включенню»).
Друга підказка міститься в роботі біолога Джона Бака, який зробив більше, ніж будь-хто інший, щоб забезпечити наукову достовірність досліджень, які намагаються пояснити синхронізм дій світлячків. В середині 1960-х років Джон Бак разом зі своєю дружиною Елізабет вперше відправився в Таїланд в надії побачити на власні очі це загадкове явище. В ході неформального, але дуже корисного експерименту подружжя виловили на берегах річок в околицях Бангкока безліч світлячків і випустили їх в своєму готельному номері, попередньо затемнивши його 8. Комахи повелися досить нервово, але потім поступово поширилися по стінах і стелі, перебуваючи один від одного на відстані не менше 10 сантиметрів. Спочатку вони мерехтіли вроздріб. Невдовзі подружжя Бак, в мовчазному здивуванні спостерігали за світлячками, помітили, що спершу пари, а потім і трійки світлячків почали мерехтіти в унісон. Групи синхронно мерехтливих світлячків ставали все більше і більше.
З цих спостережень випливало, що світлячки повинні якось «налаштовувати» свої ритми у відповідь на мерехтіння інших світлячків. Щоб безпосередньо протестувати цю гіпотезу, Бак і його колеги провели згодом лабораторні дослідження 9. в ході яких вони створювали для світлячка мерехтіння штучним світлом (імітуючи таким чином світіння іншого світлячка) і спостерігали за його реакцією. Вони виявили, що окремо взятий світлячок коригує моменти своїх подальших мерехтінь цілком певним, передбачуваним чином і що величина і напрямок такої корекції залежить від того, в який момент циклу було сприйнято зовнішній вплив. У деяких видів світлячків зовнішній вплив завжди зміщало ритм піддослідного світлячка кілька вперед, немов переводячи стрілки його внутрішнього годинника вперед, тоді як у інших видів світлячків зовнішній вплив зміщало ритм піддослідного світлячка або кілька вперед, або трохи назад в залежності від того, наскільки піддослідний світлячок був близький до того, щоб моргнути (одна справа, якщо світлячок був буквально на межі чергового миготіння, і інше - якщо він був лише на півдорозі до чергового миганню).
Взяті разом, ці дві підказки припускали, що ритм мерехтіння регулюється внутрішнім, перенастроювати осциллятором 10. А це безпосередньо вказувало на можливе існування певного механізму синхронізації: кожен з членів спільноти мерехтливих світлячків безперервно посилає і приймає сигнали, зміщуючи ритми інших світлячків і зміщуючи власний ритм в внаслідок впливу з їх боку. З усієї сукупності таких взаємовпливів якимось чином спонтанно виникає синхронізм.
Таким чином, ми приходимо до пояснення, яке здавалося немислимим лише кілька десятків років тому: світлячки організовують самі себе. Їм не потрібен диригент, і погода не має значення для них. Синхронізм виникає за рахунок взаємообміну сигналами - точно так само, як учасники оркестру можуть добитися ідеальної синхронності своїх дій без допомоги диригента. Правда, в разі світлячків дослідників ставить в тупик ту обставину, що для забезпечення синхронізму цим комахам не потрібен інтелект. Вони мають у своєму розпорядженні усіма необхідними для цього інгредієнтами: у кожного світлячка є осцилятор, щось на зразок маленького метронома, моменти вироблення сигналів яким коригуються автоматично у відповідь на мерехтіння інших світлячків. Ось, власне, і все.
За одним винятком: аж ніяк не очевидно, що цей сценарій працездатний. Чи може ідеальний синхронізм виникнути з какофонії багатьох тисяч позбавлених розуму метрономів? У 1989 р я разом зі своїм колегою Ренні Міролло довели правильність такої відповіді. Описаний сценарій не тільки працездатний - він обов'язково буде працездатний при певних умовах.
1. Philip Laurent, "The supposed synchronal flashing of fireflies," Science 45 (1917), p. 44.
2. Одне з перших згадок зустрічається в бортовому журналі експедиції сера Френсіса Дрейка в 1577 г. «Наш генерал побував на невеликому острівці на південь від Целебесу (Целебес, нині Сулавесі, - острів в Індонезії. - Прим. Перекл.), Покритому непрохідними заростями . Щоночі вся земля серед цих заростей і самі зарості бувають усіяні величезною кількістю комах (розміром не більше звичайної мухи), що світяться в темряві. Вони випускають настільки сильне світло, що кожен кущ або дерево стають схожі на палаючу свічку »[R. Hatduyt, 1589. ASelection of the Principal Voyages, Traffiques and Discoveries of the English Nation. Edited by Laurence Irving (New York; Knopf, 1926), p. 151]. Синхронний аспект цього світіння був описаний набагато докладніше в 1680 р голландським фізиком Енгельбертом Кемпфером після його подорожі по річці Мейн, від Бангкока до моря: «Ці світні комахи, розсівшись на деревах, створюють враження вогняного хмари. Найдивнішим, однак, є те, що, розсівшись на гілках дерева, вони все раптом одномоментно потухають, а через секунду-другу, так само дружно запалюються. І такі дружні і ритмічні мерехтіння можуть тривати годинами, немов ми спостерігаємо нескінченне чергування систоли і діастоли ». [Engeibert Kaempfer, 1727. The History of Japan (With a Description of the Kingdom of Siam). Translated by J. G. Scheuchzer. London: Hans Sloane. Два томи в одному. Див. Том 1, p. 45, або pp. 78-79 томи 1 повторного видання від 1906 р виконаного видавництвом J. McLehose and Sons, Glasgow.]
4. George H. Hudson, "Concerted flashing of fireflies," Science 48 (1918), pp. 573-575.
5. Hugh M. Smith, "Synchronous flashing of fireflies," Science 82 (1935), pp. 151-152. У цій короткій, але такою, що заслуговує довіри статті Сміт також дає одне з найбільш докладних описів даного явища: «Уявіть собі дерево висотою від тридцяти п'яти до сорока футів, щільно покрите маленькими овальними листям, причому на кожному аркуші сидить по світлячку і все листя мерехтять ідеально в унісон з частотою приблизно три рази за дві секунди, а в проміжку між спалахами дерево перебуває в повній темряві. Уявіть собі берег річки протяжністю близько десятої частки милі, густо порослий мангровим лісом. На кожному листку кожного дерева в цьому лісі строго синхронно запалюються і гаснуть світляки. Комахи на деревах, що ростуть на дальньому кінці цього лісу, мерехтять ідеально в унісон зі світлячками, всіяна ближні до вас дерева. Якщо у вас багата уява, то ви можете скласти певне уявлення про це чудовому і зачаровує видовище ».
6. Joy Adamson, Living Free (London: Collins and Harvill, 1961). Цитата зі стор. 29.
8. John Buck and Elisabeth Buck, "Mechanism of rhythmic synchronous flashing of fireflies," Science 159 (1968), pp. 1319-1327.