Une nouvelle explication sur la façon dont les lucioles clignotent en synchronisation

Un scénario similaire s’est déroulé dans les années 1990, lorsqu’une naturaliste du Tennessee nommée Lynn Faust a lu l’affirmation publiée avec confiance d’un scientifique nommé Jon Copeland selon laquelle il n’y avait pas de lucioles synchrones en Amérique du Nord. Faust sut alors que ce qu’elle avait observé pendant des décennies dans les bois voisins était quelque chose de remarquable.

Faust a invité Copeland et Moiseff, son collaborateur, à voir une espèce dans les Great Smoky Mountains appelée Photinus carolinus. Des nuées de lucioles mâles remplissent les forêts et les clairières, flottant à peu près à hauteur d’homme. Au lieu de cligner des yeux en étroite coordination, ces lucioles émettent une rafale de flashs rapides en quelques secondes, puis se taisent plusieurs fois avant de perdre une autre rafale. (Imaginez une foule de paparazzi attendant que des célébrités apparaissent à intervalles réguliers, prenant une salve de photos à chaque apparition, puis se tournant les pouces pendant les temps morts.)

Les expériences de Copeland et Moiseff ont montré que des P. carolinus les lucioles ont vraiment essayé de clignoter au rythme d’une luciole voisine – ou d’une LED clignotante – dans un bocal à proximité. L’équipe a également installé des caméras vidéo à haute sensibilité aux abords des champs et des clairières pour enregistrer les flashs. Copeland a parcouru les images image par image, comptant combien de lucioles étaient illuminées à chaque instant. L’analyse statistique de ces données minutieusement recueillies a prouvé que toutes les lucioles dans le champ de vision des caméras sur une scène émettaient réellement des éclats de flash à intervalles réguliers et corrélés.

Deux décennies plus tard, lorsque Peleg et son post-doctorant, le physicien Raphaël Sarfati, ont entrepris de collecter des données sur les lucioles, une meilleure technologie était disponible. Ils ont conçu un système de deux caméras GoPro placées à quelques mètres l’une de l’autre. Parce que les caméras prenaient une vidéo à 360 degrés, elles pouvaient capturer la dynamique d’un essaim de lucioles de l’intérieur, pas seulement de côté. Au lieu de compter les flashs à la main, Sarfati a conçu des algorithmes de traitement qui pourraient trianguler sur les flashs de luciole capturés par les deux caméras, puis enregistrer non seulement quand chaque clignotement s’est produit, mais où il s’est produit dans un espace tridimensionnel.

Sarfati a introduit ce système pour la première fois sur le terrain au Tennessee en juin 2019 pour le P. carolinus lucioles que Faust avait rendues célèbres. C’était la première fois qu’il voyait le spectacle de ses propres yeux. Il avait imaginé quelque chose comme les scènes serrées de la synchronisation des lucioles en provenance d’Asie, mais les rafales du Tennessee étaient plus désordonnées, avec des rafales allant jusqu’à huit éclairs rapides sur environ quatre secondes répétées environ toutes les 12 secondes. Pourtant, ce désordre était excitant : en tant que physicien, il pensait qu’un système avec des fluctuations sauvages pouvait s’avérer beaucoup plus informatif qu’un système qui se comportait parfaitement. « C’était complexe, c’était déroutant dans un sens, mais aussi beau », a-t-il déclaré.

Clignotants aléatoires mais sympathiques

Au cours de ses études de premier cycle avec des lucioles synchronisées, Peleg a d’abord appris à les comprendre grâce à un modèle formalisé par le physicien japonais Yoshiki Kuramoto, en s’appuyant sur des travaux antérieurs du biologiste théoricien Art Winfree. C’est l’ur-modèle de la synchronie, l’ancêtre des schémas mathématiques qui expliquent comment la synchronie peut survenir, souvent inexorablement, dans n’importe quoi, des groupes de cellules de stimulateur cardiaque dans le cœur humain aux courants alternatifs.

Dans leur forme la plus élémentaire, les modèles de systèmes synchrones doivent décrire deux processus. L’un est la dynamique interne d’un individu isolé – dans ce cas, une luciole solitaire dans un bocal, régie par une règle physiologique ou comportementale qui détermine le moment où elle clignote. La seconde est ce que les mathématiciens appellent le couplage, la façon dont l’éclair d’une luciole influence ses voisins. Avec des combinaisons fortuites de ces deux parties, une cacophonie d’agents différents peut rapidement se transformer en un chœur soigné.

Yoshiki Kuramoto, professeur de physique à l’Université de Kyoto, a développé le modèle de synchronisation le plus célèbre dans les années 1970 et a co-découvert l’état chimère en 2001.

Photographie : Tomoaki Sukezane

Dans une description à la Kuramoto, chaque luciole individuelle est traitée comme un oscillateur avec un rythme préféré intrinsèque. Imaginez les lucioles comme ayant un pendule caché qui se balance régulièrement à l’intérieur d’elles; imaginez qu’un insecte clignote chaque fois que son pendule balaie le bas de son arc. Supposons également que la vue d’un flash voisin tire légèrement le pendule d’une luciole vers l’avant ou vers l’arrière. Même si les lucioles démarrent en décalage les unes avec les autres, ou si leurs rythmes internes préférés varient individuellement, un collectif régi par ces règles convergera souvent vers un schéma de flash coordonné.

Plusieurs variantes de ce schéma général sont apparues au fil des ans, chacune peaufinant les règles de la dynamique interne et du couplage. En 1990, Strogatz et son collègue Rennie Mirollo du Boston College ont prouvé qu’un ensemble très simple d’oscillateurs ressemblant à des lucioles se synchroniserait presque toujours si vous les interconnectiez, quel que soit le nombre d’individus inclus. L’année suivante, Ermentrout décrit comment des groupes de Pteroptyx malaccae les lucioles en Asie du Sud-Est pourraient se synchroniser en accélérant ou en ralentissant leurs fréquences internes. Pas plus tard qu’en 2018, un groupe dirigé par Gonzalo Marcelo Ramírez-Ávila de l’Université supérieure de San Andrés en Bolivie a conçu un schéma plus compliqué dans lequel les lucioles basculaient entre un état de « charge » et un état de « décharge » au cours duquel elles flashé.