Van aderen die zuurstof aan weefsels leveren tot xyleem dat water in stengels en bladeren stuurt, vasculaire netwerken zijn een cruciaal onderdeel van het leven. In de biologie, er is een breed scala aan unieke patronen, zoals de geïndividualiseerde structuren op bladeren, samen met vele geconserveerde structuren, zoals benoemde slagaders en aders in het menselijk lichaam. Deze twee observaties brachten wetenschappers ertoe te denken dat vasculaire netwerken zijn geëvolueerd uit een gemeenschappelijk ontwerp, maar hoe, precies, zou de natuur vanuit één startpunt zoveel complexe structuren kunnen creëren?

Een nieuwe studie laat zien hoe een grote verscheidenheid aan vasculaire netwerken kan worden gecreëerd door slechts een klein aantal kenmerken van een netwerk te veranderen. Gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , het werk van twee natuurkundigen, voormalig Penn-postdoc Henrik Ronellenfitsch en professor Eleni Katifori, laat zien dat vasculaire netwerken evolueren door een afweging tussen hoe goed het netwerk vloeistof kan transporteren, de "kosten van een netwerk, " of hoeveel cellen er nodig zijn om het netwerk te bouwen, en zijn robuustheid, of hoe goed het systeem werkt als een deel van de constructie beschadigd is.

Dit onderzoek bouwt voort op het eerdere werk van Katifori en Ronellenfitsch over "aanpassingsvergelijkingen, " wiskundige modellen van systemen die goed zijn in een bepaalde functie, zoals bewegende vloeistof. In dit onderzoek, ze wilden zien of hun aanpassingsvergelijking ervoor kon zorgen dat vasculaire netwerken 'zichzelf organiseren' in de meest efficiënte structuur die mogelijk is.

Om hun idee te testen, de onderzoekers pasten hun aanpassingsvergelijking toe op een grote verzameling gesimuleerde vasculaire netwerken om te zien welke combinaties van attributen kunnen worden gewijzigd om nieuwe structuren te creëren. Ronellenfitsch nam vervolgens de resulterende netwerken en paste een wiskundig hulpmiddel toe, een die veel wordt gebruikt in economie en financiën, om de efficiëntie van verschillende netwerkontwerpen te vergelijken.

Wanneer onderzoekers de kosten en baten van verschillende afwegingen willen analyseren, ze vertrouwen op een concept dat bekend staat als Pareto-efficiëntie. Als voorbeeld, bij het renoveren van een huis met nieuwe isolatie met een beperkt budget, men kan ofwel veel geld uitgeven en een huis hebben dat goed geïsoleerd is, of minder geld uitgeven en weinig doen om de isolatie te verbeteren. De meest efficiënte reeks opties, op het spectrum van lage tot hoge kosten en van weinig tot veel renovaties in het illustratieve voorbeeld, staat bekend als de Pareto-grens. Met behulp van deze aanpak, Ronellenfitsch kon zien welke attributen het belangrijkst waren om efficiënte vasculaire netwerken te creëren. "De netwerken die we identificeren, zijn die waar je geen van deze vereisten kunt verbeteren zonder slechter te worden bij een van de andere, " hij zegt.

De onderzoekers ontdekten dat de efficiëntie van het vasculaire netwerk werd bepaald door hoe robuust het netwerk was om te beschadigen en hoe "duur" het was om te bouwen. Over een spectrum van veranderingen in deze twee attributen, onderzoekers konden een breed scala aan structuren creëren van ingewikkeld verweven netwerken die robuust waren tegen schade tot eenvoudiger ontwerpen die niet bestand waren tegen breuk.

Maar hoe weet de natuur kosten en robuustheid in evenwicht te brengen? Door fluctuaties te simuleren, of veranderingen in de gemiddelde hoeveelheid vloeistof die door delen van het netwerk is verplaatst, ze ontdekten dat veranderingen in stroomsnelheden van invloed zijn op de vraag of een netwerk robuust moet zijn of niet. "Als je iets wilt dat goedkoop maar niet robuust is, je kunt maar beter niet veel fluctuaties hebben, ' zegt Katifori.

In de nabije toekomst, Het laboratorium van Katifori zal hun modellen vergelijken met gegevens over scheepsnetwerken in fabrieken. "Een vluchtige blik lijkt te bevestigen dat de soorten netwerken in de simulaties min of meer in de echte wereld bestaan, maar we hebben dat niet expliciet gekwantificeerd. Het is moeilijk om ze op een gecontroleerde manier kwantitatief te onderzoeken, want als je fluctuaties probeert te verstoren, je verstoort zoveel andere dingen, " ze zegt.

Afgezien van de implicaties ervan in biologie en evolutie, deze theorie zou ook nuttig kunnen zijn bij het ontwerpen van technische netwerken zoals elektriciteitsnetten. "Je zou verwachten dat elektriciteitsnetten vergelijkbare principes zouden volgen; je zou willen dat het elektriciteitsnet goedkoop is, maar ook robuust tegen uitval, zodat je geen black-outs krijgt, en efficiënt in het transporteren van energie, ", zegt Ronellenfitsch.

Het is ook een ander voorbeeld van hoe ideeën over efficiëntie en toewijzing van middelen, die typisch zijn gekoppeld aan toegepaste gebieden zoals economie en financiën, sluit ook aan bij evolutie en biologie. "Biologie moet misschien hetzelfde probleem oplossen, ongeacht het organisme, " zegt Katifori, "en dat probleem is het maken van een netwerk dat goed is in iets bijzonders. Precies hoe biologie die regel implementeert, valt buiten ons bereik, maar we geloven dat de biologie een universele manier heeft gevonden om hetzelfde probleem op te lossen door het anders te implementeren."