一群萤火虫，夜里发光时，突然就“合拍”了？

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科学家发现，在南卡罗来纳州一片沼泽中，雄性萤火虫会遵循局部交互规则，从而使求偶展示中的闪光同步。这类工作未来或许能帮助我们理解：人体细胞如何与内部昼夜节律保持同步、大脑中的神经元如何协同放电，以及如何设计通过同步闪光进行通信的无人机群。

几十年来，对群聚和群飞行为的研究大多属于观察生物学家的领域。但到了20世纪80年代，一位名叫克雷格·雷诺兹（Craig Reynolds）的计算机图形学专家开发了所谓的“boids”程序。这是一种基于个体的计算模型，自问世以来便主导着集体行为研究。在这种模型中，群体中的每个个体都被视作一个以恒定速度沿直线运动的点。只要加入几条关于这些点如何相互作用的简单规则，就可以产生复杂多样的集体行为模式。比如，当点的密度足够高时，就会涌现出群飞模式；换一组规则，则会出现群聚模式。

克雷格·雷诺兹（Craig Reynolds）

由OpenGL提供的一个Boids例子。来源：集智百科

火蚁就是这种集体行为的一个教科书式案例。若只有少量火蚁、彼此间隔较远，它们的表现就像独立个体；但如果把足够多的火蚁挤在一起，它们就更像一个整体，同时呈现出固体和液体的性质。你可以像倒茶一样把它们从茶壶里倒出来；它们也能彼此连接，搭成高塔或漂浮的筏子——这种聚集成形的本领，在遭遇飓风洪水（例如休斯敦灾情）时，便是一项相当实用的生存技能。它们在调节自身交通流量方面也很出色，几乎看不到“蚂蚁堵车”。

尽管群飞和群聚在自然界中极为普遍，但从底层作用机制来看，各物种的具体集群方式仍各有细微差异。2019年，科学家发现，野生寒鸦群会根据自身是在返回栖息地，还是在集结驱赶捕食者，来改变飞行模式。

细菌或大肠杆菌也会表现出集体行为。比如，夏威夷短尾乌贼体内自带一个“手电筒”，帮助它在夜晚昏暗的水域中导航、捕食，并借此躲避捕食者。这个“手电筒”位于其腹部下方，是一个特殊的器官——一个高度特化的微型腔室，内部共生着费氏弧菌（Vibrio fischeri）菌群。当细菌群体数量达到某个临界阈值时，它们就会一起发光，为乌贼提供光源——这一现象被称为“群体感应”（quorum sensing）。

不同物种的群聚和群飞行为。左上：形成浮筏的火蚁群，左下：寒鸦，右上：夏威夷短尾乌贼，右下：夏威夷短尾乌贼的发光器官相关显微图

至于萤火虫，我们其实已经相当了解它们如何发光。我们知道它们用来发光的酶——荧光素酶（luciferase），也知道参与发光反应的化学物质。然而，成群的萤火虫显然还能对“何时发光”进行一定程度的控制，而且它们只在专门的发光器官中发光；这些方面仍是科学家希望进一步理解清楚的。

感受节拍

在康加里国家公园，萤火虫在繁星点点的背景下闪烁。

科罗拉多大学博尔德分校的奥里特·佩莱格（Orit Peleg），多年来一直着迷于萤火虫如何让它们的闪光同步。此前的研究曾在大烟山国家公园开展野外观测，监测数千只以短促求偶闪光著称的雄性萤火虫（Photinus carolinus）。这些萤火虫会按节奏闪光：通常是几次快速闪烁，然后停顿几秒，再开始下一轮快速闪烁。佩莱格想进一步弄清这种同步究竟是如何实现的。

虽然人们已经做了大量工作，试图建立数学模型来解释这些模式如何由局部交互涌现出来，但实验数据却非常有限。因此，佩莱格的实验室开发了一种用于三维追踪萤火虫闪光的立体观测方法，从而能够重建虫群结构及其闪光模式。他们不仅监测了附近区域萤火虫的闪光情况，还在现场搭起帐篷，捕捉部分萤火虫，并把它们隔离在一个无光环境中进行研究。

科学家进行了数百次实验，将一只萤火虫关在透明笼子里，并使其暴露于以特定刺激频率闪烁的 LED 灯下。

研究团队发现，即便仅有少数几只彼此互动的雄萤，也能实现闪光同步；但那种周期性成串爆发式闪烁，只会出现在数量超过15只的群体中。此外，闪光的相关性可跨越数米距离，这正是涌现性集体行为中典型的长程相互作用证据。不过，佩莱格等人也观察到了一些个体运动轨迹，这表明其中可能还存在其他竞争机制——例如，较早开始闪光的萤火虫似乎移动性更强，闪光持续时间也比较晚加入闪光的萤火虫更长。

在此前研究基础上，佩莱格的实验室又继续推进了这项工作。最新结果来自他们自2021年至2025年在南卡罗来纳州康加里国家公园于每年5月开展的野外研究。和之前一样，他们搭起了一顶与外部光源隔离的便携帐篷，然后让捕获的萤火虫暴露在微弱的LED光下。这种LED闪光会模拟萤火虫的闪烁，闪烁周期从1秒到300毫秒不等。

结果表明：当LED闪光与萤火虫自身闪光几乎同步、但仍存在轻微时间差时，萤火虫最有可能调整自己的闪光节奏。如果LED在萤火虫闪光之前稍早闪一下，雄虫就会加快下一次闪光；如果LED紧跟在萤火虫闪光之后亮起，它们就会稍微延后下一次闪光。作者把这种现象比作：在一个拥挤的音乐厅里，一位观众试图跟着所有人的节拍一起拍手。

“整整一个季节里，我几乎每天晚上都待在黑暗中，看着灯以固定频率闪烁，”前研究生、也是这篇预印本共同作者的欧文·马丁这样描述自己的野外观测经历。“然后偶尔，我会遇到那种非常神奇的时刻：我看到萤火虫突然开始和灯光同步起来。那时我甚至会怀疑，是不是自己看花了眼。”但随后的数学分析证实了这些模式：个体闪光的时序动力学本质上可由相位响应曲线（phase-response curve, PRC）来刻画。研究人员据此进一步建立了一个积分-发放（integrate-and-fire）模型，并较为准确地再现了观测到的同步闪光模式。

作者：Jennifer Ouellette

翻译：Aegon

审校：virens

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【互动问题：生活中，你见过哪些“大家慢慢变同步”的现象？】

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编辑：姬子隰

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