Non esistono due foglie che condividono gli stessi esatti modelli di navi, tuttavia ognuno ha una rete strutturata in modo coerente che consente il trasporto di acqua e sostanze nutritive attraverso la sua superficie. Le intuizioni della fisica mostrano come reti vascolari come queste possono evolversi in un'ampia gamma di forme e strutture da un unico punto di partenza. Credito:Università della Pennsylvania
Dalle vene che forniscono ossigeno ai tessuti allo xilema che invia acqua a steli e foglie, le reti vascolari sono una componente cruciale della vita. In biologia, c'è una vasta gamma di modelli unici, come le strutture individualizzate che si trovano sulle foglie, insieme a molte strutture conservate, come le arterie e le vene nominate nel corpo umano. Queste due osservazioni hanno portato gli scienziati a pensare che le reti vascolari si siano evolute da un disegno comune, ma come, Esattamente, potrebbe la natura creare così tante strutture complesse da un unico punto di partenza?
Un nuovo studio mostra come è possibile creare un'ampia varietà di reti vascolari modificando solo un piccolo numero di attributi di una rete. Pubblicato in Lettere di revisione fisica , il lavoro di due fisici, l'ex postdoc della Penn Henrik Ronellenfitsch e la professoressa Eleni Katifori, mostra che le reti vascolari evolvono attraverso un compromesso tra quanto bene la rete può trasportare fluidi, il "costo" di una rete " o quante celle ci vogliono per costruire la rete, e la sua robustezza, o come funziona il sistema se parte della struttura è danneggiata.
Questa ricerca si basa sul precedente lavoro di Katifori e Ronellenfitsch sulle "equazioni di adattamento, " modelli matematici di sistemi che sono bravi in una funzione specifica, come fluido in movimento. In questo studio, volevano vedere se la loro equazione di adattamento poteva far sì che le reti vascolari si "auto-organizzassero" nella struttura più efficiente possibile.
Per testare la loro idea, i ricercatori hanno applicato la loro equazione di adattamento su un'ampia raccolta di reti vascolari simulate per vedere quali combinazioni di attributi potrebbero essere modificate per creare nuove strutture. Ronellenfitsch ha quindi preso le reti risultanti e ha applicato uno strumento matematico, uno comunemente usato in economia e finanza, per confrontare l'efficienza di diversi progetti di rete.
Quando i ricercatori vogliono analizzare i costi e i benefici di diversi compromessi, si basano su un concetto noto come efficienza di Pareto. Come esempio, nella ristrutturazione di una casa con un nuovo isolamento con un budget limitato, si può spendere molto e avere una casa ben isolata, o spendere meno soldi e fare poco per migliorare l'isolamento. Il set di opzioni più efficiente, nello spettro dei costi da bassi a alti e da pochi a molti lavori di ristrutturazione nell'esempio illustrativo, è nota come frontiera di Pareto. Utilizzando questo approccio, Ronellenfitsch è stato in grado di vedere quali attributi erano i più importanti per creare reti vascolari efficienti. "Le reti che identifichiamo sono quelle in cui non è possibile migliorare nessuno di questi requisiti senza peggiorare in uno degli altri, " lui dice.
Reti di esempio che iniziano con un ingresso del fluido al centro. Ogni nodo, o ramo dal centro, è un'uscita di fluido, e ogni nodo ha bisogno della stessa quantità di fluido. A sinistra (archetipo reticolato) ci sono reti molto robuste ma, a causa della loro struttura ad anello, sono molto costosi da realizzare. A destra (archetipo albero) ci sono reti meno robuste, perché mancano di ridondanza e possono fallire se un ramo è rotto, ma sono più facili da realizzare. Credito:Eleni Katifori e Henrik Ronellenfitsch
I ricercatori hanno scoperto che l'efficienza della rete vascolare era guidata da quanto fosse robusta la rete da danneggiare e da quanto fosse "costosa" costruirla. Attraverso uno spettro di modifiche a questi due attributi, i ricercatori hanno potuto creare un'ampia varietà di strutture da reti intrecciate in modo intricato che fossero resistenti ai danni a progetti più semplici che non avrebbero resistito alla rottura.
Ma come fa la natura a bilanciare il costo con la robustezza? Simulando le fluttuazioni, o cambiamenti nella quantità media di fluido che si muoveva attraverso parti della rete, hanno scoperto che i cambiamenti nelle portate influiscono sul fatto che una rete debba essere robusta o meno. "Se vuoi qualcosa che sia economico ma non robusto, faresti meglio a non avere molte fluttuazioni, "dice Katifori.
Nel futuro prossimo, Il laboratorio di Katifori confronterà i loro modelli con i dati sulle reti di navi negli impianti. "Uno sguardo superficiale sembra confermare che i tipi di reti nelle simulazioni esistono più o meno nel mondo reale, ma non l'abbiamo quantificato in modo esplicito. È difficile esplorarli quantitativamente in modo controllato perché se si tenta di interrompere la fluttuazione, distruggi tante altre cose, " lei dice.
Al di là delle sue implicazioni in biologia ed evoluzione, questa teoria potrebbe rivelarsi utile anche nella progettazione di reti ingegnerizzate come le reti elettriche. "Ti aspetteresti che le reti elettriche seguano principi simili; vorresti che la rete elettrica fosse economica ma anche robusta contro le interruzioni, in modo da non avere blackout, ed efficiente nel trasporto di energia, "dice Ronellenfitsch.
È anche un altro esempio di come le idee sull'efficienza e l'allocazione delle risorse, che sono tipicamente legati a campi applicativi come l'economia e la finanza, collegarsi anche all'evoluzione e alla biologia. "La biologia potrebbe dover risolvere lo stesso problema indipendentemente dall'organismo, "Katifori dice, "e quel problema è creare una rete che sia brava in qualcosa di particolare. Il modo esatto in cui la biologia implementa quella regola è al di fuori della nostra portata, ma crediamo che la biologia abbia trovato un modo universale per risolvere lo stesso problema implementandolo in modo diverso".
