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En la quietud de la noche de Tennessee, mis colegas y yo observamos miles de tenues orbes de luz, que se mueven pacíficamente en el bosque que nos rodea. Intentamos adivinar dónde aparecerá el siguiente destello, pero los movimientos parecen erráticos, incluso efímeros.
Este verano, mientras montamos las cámaras y las tiendas de campaña, siento un miedo atroz. Nos había traído a todos al Parque Nacional de las Grandes Montañas Humeantes, un improbable grupo de informáticos y físicos de mi laboratorio, para perseguir luciérnagas. Estudiamos la comunicación de las luciérnagas con la esperanza de desentrañar el misterio de cómo y por qué parpadean al unísono unas con otras. Este raro fenómeno es uno de los misterios más tentadores de la ciencia de los sistemas complejos. Si pudiéramos capturar la sincronización de las luciérnagas en un algoritmo, podría ayudar a descifrar muchos enigmas de la biología celular, la comunicación animal e incluso la robótica de enjambres. Pero no había ninguna garantía, y me preocupaba si el experimento iba a funcionar. Era una carrera constante contra el tiempo, ya que estos espectáculos de luz sólo duran unos 10 días por enjambre. Aunque estamos a años luz de la estrella más cercana, me encontraba mirando las constelaciones lejanas, que parecían predecibles en contraste con el enjambre de bioluminiscencia.
Por casualidad, encontré mi camino hacia las luciérnagas a través de las estrellas. Al final de mi adolescencia, estaba obsesionada con la astronomía. Me maravillaba el hecho de ser una criatura tan diminuta, rodeada de un Universo inmenso en el que había tanto por explorar. Esta discrepancia, entre la escala de los componentes individuales y la de todo el sistema global, prevalece en muchas de las cosas que observan los físicos: desde los átomos que cristalizan en celosías, hasta las burbujas de jabón que se unen, pasando por los puentes de hormigón que vibran en resonancia. Lo común a todos estos ejemplos es la física subyacente de los sistemas complejos, en los que la interacción microscópica entre los componentes individuales determina el comportamiento del conjunto macroscópico.
Siempre estaré en deuda con los libros de divulgación científica, las películas y los documentales de televisión que me expusieron a fenómenos naturales tan cautivadores y me despertaron el apetito por una educación más formal. Como licenciada en física, cursé una asignatura sobre sistemas dinámicos. Aprendimos cómo los electrones de los superconductores sincronizan sus vibraciones para lograr la superconductividad, permitiendo que la corriente eléctrica pase a través de ellos con una resistencia mínima. Los conceptos eran muy matemáticos y difíciles de entender. El principal libro que constituía la columna vertebral del curso se titulaba Dinámica no lineal y caos (1994), de Steven Strogatz, un matemático aplicado que no sólo es famoso por sus importantes contribuciones a los modelos matemáticos de sincronización, sino también por ser un magnífico divulgador científico.
Para hacer el material más accesible, Strogatz trató otros ejemplos de sincronización en la naturaleza, saltando de los sistemas inanimados a los animados. Uno de estos ejemplos fue el parpadeo de las luciérnagas: En algunas partes del sudeste asiático, miles de luciérnagas macho se reúnen en los árboles por la noche y parpadean encendiéndose y apagándose al unísono”. Todavía recuerdo cuando discutíamos en clase sobre la sincronización de las luciérnagas, imaginándolas produciendo un espectáculo de luz influenciado por las mismas leyes físicas que controlan los electrones en un superconductor. Y eso fue todo: el problema del cómo y el por qué se plantó en mi cerebro.
Desde entonces me he convertido en un científico interdisciplinar que explora la historia natural desde la perspectiva de la física y desarrolla teorías comprobables para comprender mejor la física de los sistemas vivos. Estos incluyen las proteínas interactivas que controlan nuestras células, la forma en que los escarabajos navegan utilizando señales celestes, y cómo las agrupaciones de abejas cambian de forma para soportar el estrés y regular su temperatura. Cada uno de estos ejemplos es un sistema complejo, en el que los componentes individuales (una proteína, una célula, un insecto) pueden percibir su “microentorno” inmediato y responder de forma que promueva la aptitud. Normalmente, la respuesta cambia el “macroentorno” más amplio en el que está inmerso el individuo. Esto crea un acoplamiento o bucle causal que vincula a los individuos, el grupo y el entorno en un ciclo perpetuo de afectar y ser afectado.
Aunque se han encontrado luciérnagas en todos los continentes excepto en la Antártida, las especies sincrónicas son más raras. Los primeros científicos que investigaron los relatos populares sobre la sincronía de las luciérnagas a menudo la descartaron como una ilusión, un accidente estadístico o un artefacto de observación causado por un parpadeo del observador o por la alineación de los órganos productores de luz de las luciérnagas por el viento. Como las exhibiciones sincrónicas son raras, por no decir complejas y “desordenadas”, persistió el escepticismo. Incluso después de que la sincronía precisa se confirmara por primera vez en Tailandia en 1968, no hubo constancia del fenómeno en el hemisferio occidental hasta la década de 1990. Fue Lynn Faust -entonces una aficionada a las luciérnagas, hoy una experta de renombre mundial- la primera en identificar luciérnagas sincrónicas en Estados Unidos, en el patio trasero de la cabaña de su familia en Tennessee. Estudios minuciosos realizados en los últimos 50 años han confirmado que las luciérnagas sincrónicas son más comunes de lo que se pensaba en un principio. Hasta la fecha, se han encontrado tres especies de luciérnagas sincrónicas en Norteamérica, y aún podríamos descubrir muchas más en el futuro.
Cuando empecé mi propio laboratorio en la Universidad de Colorado en Boulder, recordé la descripción de Strogatz de las luciérnagas de aquel lejano árbol de Asia. Al principio, me sorprendió comprobar que había pocos datos empíricos que relacionaran los modelos matemáticos de sincronización con el comportamiento de las luciérnagas. Es cierto que hay buenas razones para ello. La sincronización de las luciérnagas es rara, y la exhibición termina casi tan pronto como empieza. Los insectos existen como adultos parpadeantes sólo durante unos 10 días de todo el año, y entonces producen destellos sólo durante unas horas por noche. Tienes que estar en el lugar adecuado en el momento adecuado para observar su exhibición. En segundo lugar, hasta no hace mucho, necesitabas aparatos de grabación muy caros y avanzados para documentar los destellos. Hoy en día, es posible utilizar equipos tan sencillos como una GoPro o un smartphone.
Así que decidí llevar a mi laboratorio por todo el país para grabar los destellos sincrónicos de las luciérnagas y, por fin, establecer una conexión más sólida entre los modelos matemáticos con los que crecí y el comportamiento de las luciérnagas en la naturaleza. Esta decisión nos hizo adentrarnos en los bosques nacionales cada primavera con nuestras tiendas de campaña y equipos de grabación, rodeados de orbes de luz vivientes que están “mejorando las estrellas”, en las palabras del poeta Richard Newman.
Si la hembra está interesada, espera dos segundos antes de hacer un destello propio de medio segundo
Aunque la comunicación animal suele considerarse dominio de ecólogos y zoólogos, los físicos y matemáticos tienen mucho que aportar cuando se trata de comprender el coste energético de la comunicación, la cantidad de información que se transmite de un organismo a otro y lo difícil o fácil que es para el receptor detectar la señal del emisor. Cualquiera que haya utilizado alguna vez una plataforma de citas online está familiarizado con los dilemas en torno a cuánta energía invertir en crear un perfil, cuántos mensajes de texto enviar y cuántos emojis utilizar. Resulta que estas consideraciones en torno al coste, la relación señal-ruido y la compresibilidad son criterios universales que deben cumplir casi todos los sistemas de comunicación. Pero el sistema de las luciérnagas, con un modo de comunicación rastreable y la capacidad de seguir las señales de todos los individuos del enjambre, ofrece ventajas sin parangón sobre otros sistemas que muestran lo que los científicos denominan “comunicación de búsqueda de pareja”.
La comunicación de las luciérnagas es un modo de comunicación que se puede rastrear.
Las deslumbrantes exhibiciones de luz de las moscas voladoras son, de hecho, rituales de cortejo: los machos voladores anuncian su presencia como parejas adecuadas a las hembras que están en tierra. Su señal luminosa se compone de un patrón de luz de encendido/apagado específico de la especie que se repite periódicamente. Un buen ejemplo es Photinus carolinus, una especie de luciérnaga sincrónica documentada en la región sureste de EE.UU.. Un macho vuela a un metro del suelo. Cada 15 segundos más o menos, lanza varios destellos consecutivos, separados por un segundo. La hembra P carolinus permanece más cerca del suelo, en la vegetación baja. Si la hembra está interesada, espera dos segundos antes de emitir un destello propio de medio segundo al tercer segundo.
La producción de destellos es una acción voluntaria, resultado de la liberación bien sincronizada del neurotransmisor octopamina, que desencadena una reacción química en la linterna del insecto. La hipótesis actual más avanzada es que las luciérnagas controlan sus destellos regulando la cantidad de oxígeno que llega a sus órganos productores de luz, aunque aún no está claro si esto es exacto. Lo cierto es que, a diferencia de una bombilla, la luz de una luciérnaga es “luz fría”, con una pérdida mínima de energía en forma de calor. Esto es crucial para la supervivencia de las luciérnagas, ya que una luciérnaga no podría soportar que su linterna se calentara tanto como una bombilla.
Las luciérnagas hembras son más sensibles al calor que las bombillas.
Las luciérnagas hembras muestran preferencia por los machos que producen un patrón de luz “óptimo”, juzgado desde el punto de vista de su especie (a cada cual lo suyo). Si un macho reconoce la respuesta de una hembra como indicativa de su propia especie, las luciérnagas pueden seguir manteniendo un “diálogo” hasta que se localicen mutuamente. Sin embargo, miles de luciérnagas parpadeando en un enjambre pueden crear un inmenso desorden visual que dificulta la detección de posibles parejas. La presencia de varias especies que emiten patrones diferentes agrava el problema. Este reto se asemeja al “problema de la fiesta de cóctel” en neurociencia: la capacidad de centrar la atención auditiva en una conversación concreta, filtrando al mismo tiempo otras charlas irrelevantes.
Las moscas de la luna utilizan una técnica de detección de moscas de la luna.
Las moscas voladoras utilizan dos métodos para resolver el desorden visual. El primero consiste en crear patrones luminosos más definidos y detectables que los de otros individuos (hay miles de especies identificadas en una de las mayores bases de datos de señales de comunicación). La segunda es cooperar, es decir, que los machos de la misma especie parpadeen al unísono para maximizar su relación señal-ruido. Todo esto ocurre en presencia de una selección reproductiva discordante y de un mimetismo agresivo, en el que las hembras de algunas especies se aprovechan de los machos de otras especies imitando la respuesta de destello de sus hembras. Como informático que estudia el comportamiento animal, me fascinan estas estrategias, ya que revelan cómo los animales aprovechan los principios del diseño y el procesamiento de señales para beneficiarse de su éxito reproductivo.
El fascinante espectáculo de la sincronización de las luciérnagas ha inspirado muchos enfoques matemáticos, incluido uno icónico conocido como modelo Kuramoto, así como una miríada de variaciones e implementaciones. El modelo Kuramoto (o modelo Kuramoto-Daido) fue propuesto por primera vez por el físico japonés Yoshiki Kuramoto en la década de 1970, y describe el comportamiento previsto para un gran conjunto de osciladores acoplados: comportamientos que cambian entre uno de dos estados, en este caso, los destellos de “encendido” o “apagado” de las luciérnagas. El modelo hace varias suposiciones, sobre cuestiones como la forma en que están acoplados los osciladores, si los osciladores son idénticos o casi idénticos, y las interacciones que dependen de en qué punto del ciclo de destellos se encuentra cada par de objetos en relación con los demás. Ha encontrado amplias aplicaciones, como en la neurociencia y en la dinámica de las llamas oscilantes. Sin embargo, nadie había capturado datos experimentales para validar la precisión de estos modelos cuando se trataba de la sincronización de las luciérnagas.
Para poner a prueba los modelos matemáticos de sincronización se necesitan datos detallados sobre los patrones de parpadeo de las luciérnagas en el espacio y el tiempo. Las luciérnagas son notoriamente difíciles de cultivar en condiciones de laboratorio, así que nuestra mejor jugada fue ir directamente a la fuente: un parque nacional de Tennessee, donde podíamos encontrar las luciérnagas y grabarlas en su hábitat natural. Había presión, además de la alegría infantil de perseguir y observar a las luciérnagas: para llegar al lugar donde se encontraba el enjambre solía ser necesario hacer senderismo, a veces de varios kilómetros, con un pesado equipo de cámaras, trípodes, redes, luces infrarrojas, discos duros, sensores de temperatura, placas de calibración, ordenadores portátiles y tiendas de campaña. Y sí, spray para osos, por seguridad. Tuvimos que limitar el encendido de las linternas frontales para acostumbrar nuestros ojos a la oscuridad, y para evitar interferir en el comportamiento de las luciérnagas.
Para registrar las horas, las horas y las temperaturas de las luciérnagas, tuvimos que utilizar las luces infrarrojas.
Para registrar las horas y ubicaciones de los destellos, utilizamos una técnica denominada “visión estereoscópica”, en la que la profundidad se determinaba en función de la disparidad entre las imágenes adquiridas con dos cámaras. Esto es similar a cómo triangulamos la profundidad con nuestros dos ojos. Con nuestras cámaras instaladas y el crepúsculo descendiendo, los intervalos esporádicos de luz parecían un código Morse, ya que se armonizaban gradualmente en una secuencia sincrónica de aproximadamente seis destellos seguidos de seis a nueve segundos de oscuridad. Resultó que nuestro experimento funcionó como esperábamos, y esta grabación de la exhibición colectiva de miles de P carolinus luciérnagas en enjambres naturales condujo a la primera descripción espaciotemporal de cómo comienza la sincronización de las luciérnagas.
P carolinus
experimento.
El resultado ilumina la importancia del entorno en la configuración de la autoorganización y el comportamiento colectivo
Nuestras grabaciones de los destellos sincrónicos de P carolinus ponen de relieve algunas consideraciones para adaptar los modelos matemáticos existentes o desarrollar otros nuevos que describan mejor la sincronización de las luciérnagas. En primer lugar, el inicio de la sincronización depende de la densidad de luciérnagas, y va acompañado de la aparición de señales periódicas. A baja densidad de luciérnagas, los destellos no parecen estar correlacionados. Mientras que incluso un pequeño número de machos que interactúan parpadean, las ráfagas periódicas sólo se producen en grupos mayores de 15 machos. A alta densidad, el enjambre produce parpadeos sincrónicos dentro de ráfagas periódicas, como una luz estroboscópica de pista de baile que se enciende y apaga a intervalos determinados.
Sincronización.
Mientras que el enjambre de luciérnagas parpadeaba en secuencias enlazadas de ráfagas de luz e inactividad oscura, los machos solitarios no mantenían un ritmo constante de iluminación. Esto contrasta con un supuesto importante del modelo Kuramoto, que es que los agentes individuales realizan un comportamiento periódico incluso cuando están solos, aislados del enjambre. Está por demostrar, pero cuando la naturaleza hace algo diferente, normalmente se trata de aumentar el éxito reproductivo o, en consecuencia, de minimizar el gasto de energía. Si el objetivo es sincronizarse, no tiene sentido parpadear periódicamente cuando no hay otras luciérnagas cerca, igual que no tendría sentido publicar actualizaciones en una plataforma de citas que nadie utiliza. Presumiblemente, podría ser energéticamente favorable simplemente “muestrear” el entorno: enviar una señal y aumentar su frecuencia sólo si responden más luciérnagas macho.
La segunda consideración para adaptar nuestros modelos matemáticos actuales es que las ráfagas de destellos se concentran y luego irradian hacia el exterior a través del enjambre y el terreno en un proceso similar al de los relevos. El resultado global es similar al de una multitud haciendo la ola en un acontecimiento deportivo. Nuestros resultados sugieren que las luciérnagas interactúan localmente a través de una red dinámica de conexiones visuales según el grado en que estén separadas del terreno y la vegetación circundantes. Este resultado ilumina la importancia del entorno en la configuración de la autoorganización y el comportamiento colectivo. Por último, demostramos que la información se expresa no sólo en el momento de los destellos, sino también en el movimiento de las luciérnagas. La codificación de la información en el movimiento de las luciérnagas sincrónicas es menos llamativa a simple vista, pero nuestras cámaras rastrearon lo que nuestro ojo desnudo no podía: aunque el parpadeo colectivo es simétrico dentro de una ráfaga, el movimiento de las luciérnagas no lo es. El líder de la ráfaga parpadeaba durante más tiempo y volaba más lejos que los seguidores. En concreto, los machos marcapasos que parpadean antes en la ráfaga se mueven más deprisa, en comparación con los machos que parpadean más tarde a lo largo de la ráfaga.
GDado que las luciérnagas son agentes físicos que se mueven en un espacio tridimensional, quizá no sorprenda que sus movimientos codifiquen información. Un ejemplo sorprendente de ello lo tenemos en Photinus pyralis, una especie común de patio trasero a la que a menudo llaman “la Osa Mayor”, por los característicos destellos de un segundo que emiten los machos al volar con la forma de la letra J. Su combinación de luz y movimiento ha inspirado a científicos y artistas por igual. En 1949, Pablo Picasso produjo uno de los primeros “dibujos de luz” documentados: fotografías, escribió un crítico, que “se hicieron con una pequeña luz eléctrica en una habitación a oscuras; en efecto, las imágenes desaparecieron tan pronto como se crearon y, sin embargo, siguen vivas, seis décadas después”. Desde entonces, la fotografía de larga exposición de las luciérnagas se ha convertido en una sorprendente forma de expresión artística.
Las luciérnagas también inspiran la tecnología. Una de las fronteras más apasionantes de la robótica son los enjambres bioinspirados: legiones de diminutos robots que se moverán juntos para explorar un campo de minas terrestres, el fondo del mar o la superficie de otro planeta. Para funcionar como un enjambre, los robots deben ser capaces de comunicarse y reaccionar entre sí. El enjambre también debe ser robusto, es decir, que pueda seguir funcionando aunque algunos miembros se averíen. La comprensión de la comunicación de las luciérnagas, perfeccionada por la evolución, la selección y el refinamiento, nos permite utilizarla para formular matemáticamente las reglas de comportamiento de cada luciérnaga y su correspondencia con el comportamiento resultante del enjambre. Mis colegas y yo estamos desarrollando modelos matemáticos que tengan en cuenta nuestros nuevos datos. Esperamos que estos conocimientos sobre los enjambres evolucionados y energéticamente eficientes de luciérnagas sean esenciales para el diseño de algoritmos distribuidos para enjambres de robots que requieran algún tipo de sincronización para llevar a cabo sus tareas.
En el futuro, los enjambres de luciérnagas se convertirán en enjambres de luciérnagas.
Mientras nos adentramos en el bosque, bajo las estrellas y entre las fugaces luciérnagas, me maravillo de lo mucho que nos queda por aprender de la vida en este complejo planeta. Acabamos de empezar a comprender cómo se comunican las luciérnagas, y los conocimientos teóricos que hemos obtenido perfeccionando el modelo Kuramoto podrían iluminar otros sistemas complejos, algunos de los cuales ni siquiera conocemos. Pero con las rápidas extinciones masivas, no sólo estamos perdiendo el equilibrio de la vida en el planeta. También estamos perdiendo nuestra capacidad de “comprender realmente la tecnología más notable que jamás haya existido”, según el bioingeniero Manu Prakash: “los principios de diseño físico de la vida en la Tierra”.
Las moscas voladoras se han convertido en una de las principales fuentes de vida en la Tierra.
Las moscas han sido olvidadas en gran medida en los esfuerzos mundiales de conservación. Aunque existen relativamente pocos programas de seguimiento, cada vez más informes anecdóticos, respaldados por expertos como Sara Lewis, de la Universidad de Tufts, sugieren que las poblaciones mundiales de luciérnagas están en peligro. Para comprender mejor las amenazas a las que se enfrentan las luciérnagas, necesitamos nuevas herramientas cuantitativas para identificar y controlar las poblaciones, registrar los cambios y medir las variaciones de su comportamiento en presencia de factores medioambientales como el clima extremo y la contaminación lumínica. Nuestro enfoque podría aportar una solución, permitiendo quizás que cualquiera pueda salir al bosque para vigilar a sus luciérnagas locales. Yo, por mi parte, no quiero que desaparezca el brillo de estos insectos.
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es profesor adjunto del Departamento de Informática del Instituto BioFrontiers de la Universidad de Colorado Boulder, y profesor externo del Instituto Santa Fe.
Peleg.
