一群螢火蟲，夜里發光時，突然就“合拍”了？

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科學家發現，在南卡羅來納州一片沼澤中，雄性螢火蟲會遵循局部交互規則，從而使求偶展示中的閃光同步。這類工作未來或許能幫助我們理解：人體細胞如何與內部晝夜節律保持同步、大腦中的神經元如何協同放電，以及如何設計通過同步閃光進行通信的無人機群。

幾十年來，對群聚和群飛行為的研究大多屬于觀察生物學家的領域。但到了20世紀80年代，一位名叫克雷格·雷諾茲（Craig Reynolds）的計算機圖形學專家開發了所謂的“boids”程序。這是一種基于個體的計算模型，自問世以來便主導著集體行為研究。在這種模型中，群體中的每個個體都被視作一個以恒定速度沿直線運動的點。只要加入幾條關于這些點如何相互作用的簡單規則，就可以產生復雜多樣的集體行為模式。比如，當點的密度足夠高時，就會涌現出群飛模式；換一組規則，則會出現群聚模式。

克雷格·雷諾茲（Craig Reynolds）

由OpenGL提供的一個Boids例子。來源：集智百科

火蟻就是這種集體行為的一個教科書式案例。若只有少量火蟻、彼此間隔較遠，它們的表現就像獨立個體；但如果把足夠多的火蟻擠在一起，它們就更像一個整體，同時呈現出固體和液體的性質。你可以像倒茶一樣把它們從茶壺里倒出來；它們也能彼此連接，搭成高塔或漂浮的筏子——這種聚集成形的本領，在遭遇颶風洪水（例如休斯敦災情）時，便是一項相當實用的生存技能。它們在調節自身交通流量方面也很出色，幾乎看不到“螞蟻堵車”。

盡管群飛和群聚在自然界中極為普遍，但從底層作用機制來看，各物種的具體集群方式仍各有細微差異。2019年，科學家發現，野生寒鴉群會根據自身是在返回棲息地，還是在集結驅趕捕食者，來改變飛行模式。

細菌或大腸桿菌也會表現出集體行為。比如，夏威夷短尾烏賊體內自帶一個“手電筒”，幫助它在夜晚昏暗的水域中導航、捕食，并借此躲避捕食者。這個“手電筒”位于其腹部下方，是一個特殊的器官——一個高度特化的微型腔室，內部共生著費氏弧菌（Vibrio fischeri）菌群。當細菌群體數量達到某個臨界閾值時，它們就會一起發光，為烏賊提供光源——這一現象被稱為“群體感應”（quorum sensing）。

不同物種的群聚和群飛行為。左上：形成浮筏的火蟻群，左下：寒鴉，右上：夏威夷短尾烏賊，右下：夏威夷短尾烏賊的發光器官相關顯微圖

至于螢火蟲，我們其實已經相當了解它們如何發光。我們知道它們用來發光的酶——熒光素酶（luciferase），也知道參與發光反應的化學物質。然而，成群的螢火蟲顯然還能對“何時發光”進行一定程度的控制，而且它們只在專門的發光器官中發光；這些方面仍是科學家希望進一步理解清楚的。

感受節拍

在康加里國家公園，螢火蟲在繁星點點的背景下閃爍。

科羅拉多大學博爾德分校的奧里特·佩萊格（Orit Peleg），多年來一直著迷于螢火蟲如何讓它們的閃光同步。此前的研究曾在大煙山國家公園開展野外觀測，監測數千只以短促求偶閃光著稱的雄性螢火蟲（Photinus carolinus）。這些螢火蟲會按節奏閃光：通常是幾次快速閃爍，然后停頓幾秒，再開始下一輪快速閃爍。佩萊格想進一步弄清這種同步究竟是如何實現的。

雖然人們已經做了大量工作，試圖建立數學模型來解釋這些模式如何由局部交互涌現出來，但實驗數據卻非常有限。因此，佩萊格的實驗室開發了一種用于三維追蹤螢火蟲閃光的立體觀測方法，從而能夠重建蟲群結構及其閃光模式。他們不僅監測了附近區域螢火蟲的閃光情況，還在現場搭起帳篷，捕捉部分螢火蟲，并把它們隔離在一個無光環境中進行研究。

科學家進行了數百次實驗，將一只螢火蟲關在透明籠子里，并使其暴露于以特定刺激頻率閃爍的 LED 燈下。

研究團隊發現，即便僅有少數幾只彼此互動的雄螢，也能實現閃光同步；但那種周期性成串爆發式閃爍，只會出現在數量超過15只的群體中。此外，閃光的相關性可跨越數米距離，這正是涌現性集體行為中典型的長程相互作用證據。不過，佩萊格等人也觀察到了一些個體運動軌跡，這表明其中可能還存在其他競爭機制——例如，較早開始閃光的螢火蟲似乎移動性更強，閃光持續時間也比較晚加入閃光的螢火蟲更長。

在此前研究基礎上，佩萊格的實驗室又繼續推進了這項工作。最新結果來自他們自2021年至2025年在南卡羅來納州康加里國家公園于每年5月開展的野外研究。和之前一樣，他們搭起了一頂與外部光源隔離的便攜帳篷，然后讓捕獲的螢火蟲暴露在微弱的LED光下。這種LED閃光會模擬螢火蟲的閃爍，閃爍周期從1秒到300毫秒不等。

結果表明：當LED閃光與螢火蟲自身閃光幾乎同步、但仍存在輕微時間差時，螢火蟲最有可能調整自己的閃光節奏。如果LED在螢火蟲閃光之前稍早閃一下，雄蟲就會加快下一次閃光；如果LED緊跟在螢火蟲閃光之后亮起，它們就會稍微延后下一次閃光。作者把這種現象比作：在一個擁擠的音樂廳里，一位觀眾試圖跟著所有人的節拍一起拍手。

“整整一個季節里，我幾乎每天晚上都待在黑暗中，看著燈以固定頻率閃爍，”前研究生、也是這篇預印本共同作者的歐文·馬丁這樣描述自己的野外觀測經歷。“然后偶爾，我會遇到那種非常神奇的時刻：我看到螢火蟲突然開始和燈光同步起來。那時我甚至會懷疑，是不是自己看花了眼。”但隨后的數學分析證實了這些模式：個體閃光的時序動力學本質上可由相位響應曲線（phase-response curve, PRC）來刻畫。研究人員據此進一步建立了一個積分-發放（integrate-and-fire）模型，并較為準確地再現了觀測到的同步閃光模式。

作者：Jennifer Ouellette

翻譯：Aegon

審校：virens

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編輯：姬子隰

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