生物学是如何创造廉价、健壮和高效的网络的

时间:2020-01-18 18:04 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

生物学是如何创造廉价、健壮和高效的网络的

从向组织输送氧气的静脉到向茎叶输送水分的木质部,血管网络是生命的重要组成部分。在生物学中,有许多独特的模式,如在叶子上发现的个体化结构,以及许多保守的结构,如在人体中命名的动脉和静脉。这两项观察使科学家们认为,血管网络是由一个共同的设计演变而来的,但是,大自然究竟是如何从一个单一的起点创造出这么多复杂的结构的呢?

一项新的研究表明,只要改变一个网络的一小部分属性,就可以创建多种多样的血管网络。发表在《物理评论快报》上,两位物理学家的工作,前潘博士后Henrik Ronellenfitsch教授Eleni Katifori,表明血管网络的发展通过权衡网络可以传输流体多好,网络的“成本”,或有多少细胞需要构建网络,和它的鲁棒性,或者这个系统是如何工作的一部分结构损坏。

这项研究建立在Katifori和Ronellenfitsch之前关于“适应方程”的工作基础上,“适应方程”是擅长于特定功能的系统的数学模型,比如移动流体。在这项研究中,他们想看看他们的适应方程是否能让血管网络“自组织”成最有效的结构。

为了验证他们的想法,研究人员将他们的适应方程应用于大量的模拟血管网络,以观察哪些属性组合可以被改变来创建新的结构。Ronellenfitsch将得到的网络应用到一个数学工具中,这是经济学和金融学中常用的工具,来比较不同网络设计的效率。

当研究人员想要分析不同权衡的成本和收益时,他们依赖于一个被称为帕累托效率的概念。举个例子,在有限的预算下,用新的隔热材料装修房子,你可以花很多钱买一个隔热性能很好的房子,或者花很少的钱改善隔热性能。最有效的选择集,在低到高成本的范围内,并在说明性的例子中从少量到多次的革新,被称为帕累托边界。使用这种方法,Ronellenfitsch能够看到哪些属性对于创建有效的血管网络是最重要的。他表示:“我们所识别的网络,是那些你无法在不恶化其中一项要求的情况下,改善上述任何一项要求的网络。”

生物学是如何创造廉价、健壮和高效的网络的

研究人员发现,血管网络的效率是由网络破坏的强度和建造的“成本”决定的。通过对这两种属性的一系列改变,研究人员可以创造出各种各样的结构,从错综复杂的相互交织的网络,这些网络可以抵抗破坏,到更简单的设计,这些设计无法抵抗破坏。

但是大自然如何知道如何平衡成本和健壮性呢?通过模拟通过网络部分流动的平均流体量的波动或变化,他们发现流量的变化会影响网络是否坚固。Katifori说:“如果你想要便宜但不耐用的东西,最好不要有太多的波动。”

在不久的将来,Katifori的实验室将把他们的模型与植物的血管网络数据进行比较。“粗略地看一下,似乎证实了模拟中的网络类型或多或少存在于现实世界中,但我们还没有明确地量化它。”很难用一种可控的方式对它们进行定量研究,因为如果你试图扰乱波动,你就会扰乱许多其它事情,”她表示。

除了在生物学和进化论方面的意义,这一理论还可能被证明在设计诸如电网这样的工程网络方面是有用的。“你会希望电网遵循类似的原则;你会希望电网价格便宜,但也能抵御停电,这样你就不会停电,而且还能高效地输送电力。”Ronellenfitsch说。

这也是效率和资源分配的另一个例子,通常与经济学和金融学等应用领域有关,但也与进化论和生物学有关。Katifori说:“生物学可能必须解决相同的问题,而不管生物体是什么,而这个问题就是建立一个擅长于某一特定领域的网络。”生物学是如何实现这一规则的,这超出了我们的范围,但我们相信,生物学已经找到了一种通用的方法,通过不同的实现来解决相同的问题。”

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