Учени са използвали математически концепции от теорията на струните, описваща частиците като едномерни вибриращи струни, за да преобърнат над век предположения за това как живите системи, като корените на дърветата и невроните, изграждат своите разклоняващи се мрежи.
Въпреки че приложението на теорията на струните за характеризиране на биологичните системи е било успешно, екипът от Политехническия институт Ренселер (RPI), провел изследването, заявява, че усилията им не подкрепят непременно самата теория. Изследователите обаче отбелязват, че работата им демонстрира как абстрактният инструментариум на теорията на струните може да се приложи към реални проблеми, като например оптимизацията на повърхности.
Екипът на RPI заявява, че техните открития могат да помогнат на инженерите да изградят по-добри изкуствени мрежи, включително 3D-отпечатани тъкани с работещи кръвоносни съдове или хиперефективни транспортни системи.
Теория на струните идва на помощ
Водещият автор на изследването, Сяни Мън (Xiangyi Meng) от RPI, обяснява, че екипът си е задал за цел да изследва растежа и структурата на биологични системи, включващи различни материали, като кръвоносни съдове и растения. Изследователят обаче обяснява, че въпреки очевидните си разлики, тези видове биологични системи "всички са склонни да следват една и съща формула за оптимизация на повърхността".
Според публикуваното проучване на екипа на RPI, разбирането как природата максимизира ефективността при проектирането на такива системи е вдъхновило десетилетия изследвания в областта на икономиката на окабеляването. В резултат на това учените имат няколко проверими прогнози за очакваната функция и архитектура на естествените разклоняващи се мрежи.
В новото проучване екипът изследва геометрията на разклоненията, която е в основата на няколко такива мрежи, за да тества точността на дългогодишните прогнози относно минимизиране на окабеляването. Въпреки че предишни усилия са се занимавали със същия проблем, изследователите казват, че последното им усилие разкрива, че прогнозирането на истинските разходи за физическа мрежа, като например клон на дърво или мозъчен конектом, изисква отчитане на "пълната триизмерна геометрия" на системата.
Екипът обяснява, че това осъзнаване е довело до почти неразрешим оптимизационен проблем. Според проучването, инструментите, използвани преди това за търсене на решение, също се оказали недостатъчни. Любопитни дали алтернативен подход би могъл да реши проблема, екипът се обърнал към инструментариума на теорията на струните.
"Заимстваме сложния математически инструментариум, разработен от теоретиците на струните, и го прилагаме в биологичен контекст", обяснява Мън.
Резултатите от инструментариума показват "отлично съответствие" с реалните мрежи
Според проучването на екипа, когато настоящите теории за оптимизация на повърхността се използват за обяснение на пълната триизмерна структура на мрежи, като неврони, кръвоносни съдове, дървета, корали и корени, те се оказват недостатъчни. Но те откриват, че много биологични мрежи не следват класическите правила за "минимизиране на материала", както често правят много биологични системи.
Например авторите на изследването отбелязват, че традиционните подходи не могат да обяснят защо природата използва многопосочни връзки и къси перпендикулярни "кълнове" в тези инженерни конструкции. Когато обаче екипът извършва точно картографиране на минимизирането на повърхността върху високоразмерни диаграми на Файнман, използвани в теорията на струните, данните им показват, че "с увеличаване на дебелината на връзката, локално дървовидната мрежа претърпява преход към конфигурации, които вече не могат да бъдат обяснени с минимизиране на дължината".
Естествената параметризация на повърхността се осигурява от надлъжните (червени) и азимуталните (сини) координати. Минималната обиколка около връзката се обозначава с w, измерена по протежение на път в азимутална посока. b, Пресечните точки между връзките определят геометрията около възлите. Локалните карти трябва да бъдат разтеглени и разширени, за да се осигури гладко и непрекъснато закърпване по техните граници (сини линии), гарантирайки, че съвпада перфектно. c , Диаграма на Файнман (горе) описва взаимодействията между елементарните частици в теорията на полето. В теорията на струните, диаграмите на Файнман са гладки и непрекъснати многообразия в по-високи измерения (долу), известни като световен лист, които превеждат дискретната диаграма в горната част в интегрируемия обект в долната част. Точното картографиране на проблема за минимизиране на повърхността към тези световни листове с по-високо измерение позволява да се картографират абстрактната геометрия в структурно последователна физическа мрежа. Кредит: Nature 649, 315–322 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09784-4
Приложението на теорията на струните позволява на екипа на RPI да предскаже съществуването на стабилни ортогонални кълнове, "които не само са широко разпространени в реалните мрежи, но и играят ключова функционална роля" в биологичните системи, включително подобряване на образуването на синапси в мозъка и достъпа до хранителни вещества в растенията и гъбите.
Когато екипът разширява използването на инструментариума на теорията на струните, те откриват, че подходът превъзхожда традиционните теории за минимизиране на мрежите в шест биологични системи, вариращи от кръвоносни съдове и човешки неврони до неврони на плодови мушици и корени на растения.
"По-конкретно, минимизирането на повърхността предсказва появата на трифуркации (разклоняване на три) и ъгли на разклоняване в отлично съответствие с локалната дървовидна организация на физическите мрежи в широк спектър от приложни области", обясняват авторите.
Естествените физически мрежи са непрекъснати, триизмерни обекти, като малкия математически модел, показан тук. Изследователи са установили, че физическите мрежи в живите системи следват правила, заимствани от теорията на струните, рамка на теоретична физика. Кредит: Xiangyi Meng
Използването на теоретичната физика за формулиране на архитектурата на биологичните системи
Като най-изненадващ аспект от изследването Мън посочва математическите разкрития на изследването.
"Намирам за изненадващо и проницателно, че биологичните открития често се придържат към същите математически принципи, които физиците откриват, когато изучават фундаментални понятия", обяснява изследователят.
Когато обсъжда последиците от работата си, Мън казва, че тяхното проучване "не разглежда въпроса дали теорията на струните описва фундаменталната тъкан на Вселената".
"Трябва да бъдем предпазливи", добавя Мън.
"Нашият подход не предполага, че мозъкът е "квантов". Всъщност той използва математически инструменти от теорията на струните, които се прилагат тук при липса на каквито и да било квантови флуктуации."
Изследването просто е заимствало инструментариума на теорията на струните и го прилага в биологичен контекст "при липса на каквито и да е квантови флуктуации".
"Значението на тази работа се крие в моста, който изграждаме", коментира Мън. "Това е първият път, когато рамката на теорията на струните е използвана за формулиране на архитектурата на биологичните системи."
Въпреки че екипът на RPI предупреждава, че тяхното проучване е "фундаментално" по своята същност и че все още очакват практически приложения, те отбелязват някои области, които биха могли да се възползват от откритията.
"Вярваме, че нашите открития имат потенциал да помогнат да се разбере динамиката на невроните и изчислителната сложност, както и да разкрият механизмите, стоящи зад определени невронни нарушения", посочва Мън пред The Debrief. "Друго потенциално приложение е използването на тази математическа рамка за проектиране на мрежови материали – като например изкуствени кръвоносни съдове или 3D-печатаеми метаматериали."
Справка: Meng, X., Piazza, B., Both, C. et al. Surface optimization governs the local design of physical networks. Nature 649, 315–322 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09784-4
Източник: Scientists Successfully Use String Theory to Challenge More Than a Century of Assumptions About Living Systems, Christopher Plain, The Debrief
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Последната теорема на Стивън Хокинг преобръща времето и причинността
Прост Човек
Разрязването на фотон на две създава безкраен рояк от частици
zlatkov
Учени сканират 74 милиона радиосигнала от междузвезден обект за признаци на извънземни технологии
Джендо Джедев
За срещата на Земята с Халеевата комета през 1910 г. някои са пили "противокометни хапчета"