Учёные из RPI показали как теория струн объяснила формирование биологических сетей

Учёные из Политехнического института Ренсселера (RPI) выяснили, какие математические принципы лежат в основе формирования биологических сетей: кровеносных сосудов, нейронов и ветвей деревьев. Оказалось, что их структура подчиняется закономерностям, заимствованным из теории струн — раздела теоретической физики, описывающего фундаментальные свойства Вселенной. Ранее предполагалось, что природа строит эти сети максимально экономно, сокращая количество используемого материала. Однако классические модели, представлявшие сети как одномерные «проволочные» схемы, давали неточные прогнозы.

«Ранее мы рассматривали эти структуры как проволочные диаграммы, — поясняет физик RPI Сянъи Мэн. — Но на самом деле это трёхмерные объекты с поверхностями, которые должны соединяться плавно». Исследователи установили, что уравнения теории струн, применяемые для расчёта «минимальных поверхностей» в многомерных пространствах, почти точно описывают, как биологические сети минимизируют затраты материала в трёх измерениях.

В отличие от старых моделей, которые прогнозировали в основном двусторонние разветвления, новый подход объясняет появление трёх- и четырёхсторонних соединений, а также тонких ответвлений — «ортогональных отростков», характерных для нейронов и корней растений. Теория была проверена на 3D-сканах шести сетей: нейронов человека и плодовой мушки, кровеносных сосудов человека, тропических деревьев, кораллов и растения арабидопсис. Во всех случаях структура ветвления совпадала с предсказаниями теории минимизации поверхности точнее, чем по старым моделям.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature, показывают, как абстрактная математическая теория физики помогает решать реальные задачи, например, изучать организацию мозга или создавать искусственные сосудистые сети для 3D-печати тканей.

Читайте также: