Hvordan biologi skaber netværk, der er billige, robust, og effektiv

Fra årer, der leverer ilt til væv til xylem, der sender vand ind i stængler og blade, vaskulære netværk er en afgørende bestanddel af livet. I biologi, der er en bred vifte af unikke mønstre, ligesom de individualiserede strukturer, der findes på blade, sammen med mange bevarede strukturer, såsom navngivne arterier og vener i menneskekroppen. Disse to observationer fik videnskabsmænd til at tro, at vaskulære netværk udviklede sig fra et fælles design, men hvordan, Nemlig, kunne naturen skabe så mange komplekse strukturer fra et enkelt udgangspunkt?

En ny undersøgelse viser, hvordan en bred vifte af vaskulære netværk kan skabes ved kun at ændre et lille antal af et netværks attributter. Udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , to fysikeres arbejde, tidligere Penn postdoc Henrik Ronellenfitsch og professor Eleni Katifori, viser, at vaskulære netværk udvikler sig gennem en afvejning mellem, hvor godt netværket kan transportere væske, et netværks "omkostninger, "eller hvor mange celler det tager at opbygge netværket, og dens robusthed, eller hvor godt systemet fungerer, hvis en del af strukturen er beskadiget.

Denne forskning bygger på Katifori og Ronellenfitschs tidligere arbejde med "tilpasningsligninger, "matematiske modeller af systemer, der er gode til en bestemt funktion, såsom bevægende væske. I dette studie, de ønskede at se, om deres tilpasningsligning kunne få vaskulære netværk til at "selvorganisere" til den mest effektive struktur som muligt.

For at teste deres idé, forskerne anvendte deres tilpasningsligning på en stor samling af simulerede vaskulære netværk for at se, hvilke kombinationer af attributter der kunne ændres for at skabe nye strukturer. Ronellenfitsch tog derefter de resulterende netværk og anvendte et matematisk værktøj, en almindeligt anvendt inden for økonomi og finans, at sammenligne effektiviteten af ​​forskellige netværksdesigns.

Når forskere vil analysere omkostningerne og fordelene ved forskellige afvejninger, de er afhængige af et koncept kendt som Pareto-effektivitet. Som et eksempel, i renovering af et hus med ny isolering under et begrænset budget, man kan enten bruge mange penge og have et hus, der er velisoleret, eller bruge færre penge og gøre lidt for at forbedre isoleringen. Det mest effektive sæt muligheder, på spektret af lave til høje omkostninger og fra få til mange renoveringer i det illustrative eksempel, er kendt som Pareto-grænsen. Ved at bruge denne tilgang, Ronellenfitsch var i stand til at se, hvilke egenskaber der var de vigtigste for at skabe effektive vaskulære netværk. "De netværk, vi identificerer, er dem, hvor du ikke kan forbedre nogen af ​​disse krav uden at blive dårligere på en af ​​de andre, " han siger.

Forskerne fandt ud af, at vaskulær netværkseffektivitet var drevet af, hvor robust netværket var til at beskadige, og hvor "dyrt" det var at bygge. På tværs af et spektrum af ændringer af disse to attributter, forskere kunne skabe en bred vifte af strukturer fra indviklet sammenvævede netværk, der var robuste over for skader, til enklere design, der ikke ville modstå brud.

Men hvordan ved naturen, hvordan man balancerer omkostninger med robusthed? Ved at simulere udsving, eller ændringer i den gennemsnitlige mængde væske, der bevægede sig gennem dele af netværket, de fandt ud af, at ændringer i strømningshastigheder påvirker, om et netværk skal være robust eller ej. "Hvis du vil have noget, der er billigt, men ikke robust, du må hellere ikke have mange udsving, " siger Katifori.

I den nærmeste fremtid, Katiforis laboratorium vil sammenligne deres modeller med data om fartøjsnetværk i planter. "Et overfladisk blik ser ud til at bekræfte, at typerne af netværk i simuleringerne mere eller mindre eksisterer i den virkelige verden, men vi har ikke kvantificeret det eksplicit. Det er svært at udforske dem kvantitativt på en kontrolleret måde, fordi hvis du forsøger at forstyrre udsving, du forstyrrer så mange andre ting, " hun siger.

Ud over dens konsekvenser for biologi og evolution, denne teori kan også vise sig at være nyttig til at designe konstruerede netværk såsom elnet. "Du ville forvente, at elnettene følger lignende principper; du vil have, at elnettet skal være billigt, men også robust mod afbrydelser, så du ikke får blackouts, og effektiv til at transportere strøm, " siger Ronnellenfitsch.

Det er også endnu et eksempel på, hvordan ideer om effektivitet og ressourceallokering, som typisk er knyttet til anvendte områder som økonomi og finans, også forbinde til evolution og biologi. "Biologi skal måske løse det samme problem uanset organismen, " siger Katifori, "og det problem er at skabe et netværk, der er godt til noget bestemt. Præcis hvordan biologi implementerer den regel er uden for vores kompetence, men vi mener, at biologien har fundet en universel måde at løse det samme problem på ved at implementere det anderledes."