Comment la rainette japonaise figure-t-elle dans les derniers travaux du célèbre mathématicien Steven Strogatz ? Comme il s'avère, assez en évidence.
"Nous avions entendu parler de ces drôles de grenouilles qui sautillent et coassent, " dit Strogatz, le professeur Jacob Gould Schurman de mathématiques appliquées. "Ils forment des motifs dans l'espace et le temps. Habituellement, il s'agit de reproduction. Et en fonction de la façon dont l'autre ou les autres coassent, ils ne veulent pas être entourés d'un autre qui croasse en même temps qu'eux, parce qu'ils vont se coincer les uns les autres."
Strogatz et Kevin O'Keeffe, doctorat '17, ont utilisé le curieux rituel d'accouplement des rainettes japonaises mâles comme source d'inspiration pour leur exploration des "swarmalators" - leur terme désignant des systèmes dans lesquels la synchronisation et l'essaimage se produisent ensemble.
Spécifiquement, ils ont considéré des oscillateurs dont la dynamique de phase et la dynamique spatiale sont couplées. Dans le cas des rainettes mâles, ils tentent de coasser en opposition de phase exacte (l'un coasse tandis que l'autre est silencieux) tout en s'éloignant d'un rival pour être entendus par les femelles.
Cela ouvre « une nouvelle classe de problèmes mathématiques, " dit Strogatz, un membre présidentiel de Stephen H. Weiss. "La question est, qu'attendons-nous de voir lorsque les gens commenceront à construire des systèmes comme celui-ci ou à les observer en biologie ? »
Leur papier, "Oscillateurs qui se synchronisent et essaiment, " a été publié le 13 novembre dans Communication Nature . Strogatz et O'Keeffe - maintenant chercheur postdoctoral au Senseable City Lab du Massachusetts Institute of Technology - ont collaboré avec Hyunsuk Hong de l'Université nationale de Chonbuk à Jeonju, Corée du Sud.
L'essaimage et la synchronisation impliquent tous deux de grandes, des groupes d'individus auto-organisés interagissant selon des règles simples, mais rarement ont-ils été étudiés ensemble, dit O'Keeffe.
"Personne n'avait relié ces deux domaines, malgré le fait qu'il y avait tous ces parallèles, " a-t-il dit. " C'était l'idée théorique qui nous a en quelque sorte séduits, Je suppose. Et il y avait aussi quelques exemples concrets, ce que nous avons aimé - y compris les rainettes."
Les études sur les essaims se concentrent sur la façon dont les animaux se déplacent - pensez aux oiseaux en masse ou aux bancs de poissons - tout en négligeant la dynamique de leurs états internes. Les études de synchronisation font le contraire :elles se concentrent sur la dynamique interne des oscillateurs. Strogatz a longtemps été fasciné par la synchronie des lucioles et d'autres phénomènes similaires, donnant une conférence TED sur le sujet en 2004, mais pas sur leur motion.
"[L'essaimage et la synchronisation] sont si similaires, et pourtant ils n'ont jamais été connectés ensemble, et cela semble si évident, " O'Keeffe a déclaré. "C'est un tout nouveau paysage de comportements possibles qui n'avaient pas été explorés auparavant."
En utilisant une paire d'équations gouvernantes qui supposent que les essaimateurs sont libres de se déplacer, avec des simulations numériques, le groupe a découvert qu'un système d'essaimateur s'installe dans l'un des cinq états suivants :
Par l'étude de modèles simples, le groupe a découvert que le couplage de "sync" et "swarm" conduit à des modèles riches à la fois dans le temps et dans l'espace, et pourrait conduire à une étude plus approfondie des systèmes qui présentent ce double comportement.
"Cela soulève de nombreuses questions pour de nombreux domaines de la science - il y a beaucoup de choses à essayer que les gens n'avaient pas pensé à essayer, " Strogatz a déclaré. "C'est la science qui ouvre les portes à la science. C'est inaugurer la science, plutôt que de culminer la science."
