|
Теория струн и кровеносные сосуды Вселенной
|
|
|
|
Уже более ста лет ученые задаются вопросом, почему физические структуры, такие как кровеносные сосуды, нейроны, ветви деревьев и другие биологические сети, выглядят именно так, как они выглядят на самом деле. Преобладающая теория гласит, что природа просто строит эти системы настолько эффективно, насколько это возможно, минимизируя количество необходимого материала. Но в прошлом, когда исследователи сравнивали эти сети с традиционными теориями математической оптимизации, предсказания неизменно оказывались неверными.
|
|
|
|
Проблема, как оказалось, заключалась в том, что ученые мыслили в одном измерении, тогда как им следовало бы мыслить в трех. "Мы рассматривали эти структуры как электрические схемы", - объясняет физик из Политехнического института Ренсселера (RPI) Сяньи Мэн, доктор философии. "Но это не тонкие провода, это трехмерные физические объекты с поверхностями, которые должны плавно соединяться".
|
|
|
|
В этом месяце Мэн и его коллеги опубликовали статью в журнале Nature, показывающую, что физические сети в живых системах подчиняются правилам, заимствованным из маловероятного источника: теории струн, экзотического раздела физики, который пытается объяснить фундаментальную структуру Вселенной.
|
|
|
|
Эта работа представляет собой первый случай, когда теория струн — основа, разработанная для объединения квантовой механики и гравитации, — успешно описала реальные биологические структуры. Хотя теория струн остается непроверенной в качестве описания фундаментальной физики, ее математический аппарат неожиданно оказывается практичным для понимания того, как жизнь организуется в трехмерном пространстве.
|
|
|
|
|
|
|
Как теория струн объясняет ветвление
|
|
|
|
"По-видимому, существует универсальное правило, регулирующее формирование биологических сетей", - сказал Мэн. "Это правило оптимизации является чисто геометрическим. Оно не зависит от типов материалов или задач и, как оказалось, достаточно универсально и применимо ко многим различным наборам данных".
|
|
|
|
В 1980—х годах физики, пытавшиеся разобраться с математикой вибрирующих струн в высших измерениях, разработали сложные инструменты для расчета "минимальных поверхностей" - самого плавного и эффективного способа соединения объектов в пространстве. Мэн и его коллеги обнаружили, что эти же уравнения почти идеально описывают, как биологические сети минимизируют свои материальные затраты.
|
|
|
|
Традиционные математические модели, например, предсказывают биологические сети, которые в значительной степени зависят от бифуркаций, или двустороннего разделения. Но, как мог бы сказать любой, кто изучал структуру ветвей дерева, трехсторонние, четырехсторонние и другие типы соединений довольно распространены в природе.
|
|
|
|
Принципы минимизации поверхности теории струн, напротив, допускают такие расщепления более высокого порядка. Они также предсказывают "ортогональные отростки", по сути, более тонкие, тупиковые зачатки, которые обычно появляются в естественных структурах, таких как растения и нейроны. Например, в человеческом мозге 98% этих перпендикулярных отростков заканчиваются синапсами — точками соединения между нейронами.
|
|
|
|
Отростки, по сути, позволяют нейронам связываться с соседями, используя наименьшее количество биологического материала. Аналогичным образом корни растений и грибковые нити прорастают перпендикулярно, чтобы более эффективно исследовать почву в поисках воды и питательных веществ.
|
|
Проверка теории на различных формах жизни
|
|
|
|
Исследователи проверили свою теорию на 3D-сканировании шести различных типов сетей с высоким разрешением: нейронов человека и плодовой мушки, кровеносных сосудов человека, тропических деревьев, кораллов и растения арабидопсис, вида кресс-салата, который широко изучается биологами. В каждом случае паттерны ветвления соответствовали предсказаниям минимизации поверхности лучше, чем более старые теории, основанные на простой минимизации проводки.
|
|
|
|
Это не означает, что каждая деталь этих сетей объясняется только физикой. Биологические системы сталкиваются с множеством конкурирующих факторов, и исследователи обнаружили, что сети реального мира могут быть на 25% длиннее абсолютного минимума, предсказанного теорией. Но согласованность паттернов ветвления у таких разнообразных форм жизни наводит на мысль, что природа сошлась на математических принципах, которые действуют во всем древе жизни.
|
|
|
|
"Эти результаты демонстрируют и представляют собой увлекательный пример того, как абстрактный инструментарий теоретической физики может также приблизить нас к решению реальных проблем, таких как изучение и лучшее понимание закономерностей взаимодействия в мозге и сосудистых сетях", - сказал Дьердь Корнисс, доктор философии, заведующий кафедрой физики RPI, Прикладная физика и астрономия.
|
|
|
|
Полученные результаты могут в конечном итоге помочь инженерам создавать более совершенные искусственные сети - от тканей, напечатанных на 3D-принтере, с работающими кровеносными сосудами, до более эффективных транспортных систем. Но, возможно, более глубокий урок заключается в экономии природы: эволюция часто придерживается тех же математических принципов, которые физики находят при изучении самой Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
