Физики объяснили формы нейронов и ветвей деревьев с помощью математики теории струн

Ученые применили математический аппарат теории струн, одной из самых абстрактных областей теоретической физики, для расшифровки принципов, по которым природа строит сложные сети — от нейронов мозга до ветвей деревьев и кровеносных сосудов. Исследователи из Политехнического института Ренсселера обнаружили, что биологические сети следуют универсальному геометрическому правилу, направленному на минимизацию поверхности, а не просто длины, как считалось ранее более века.

Долгое время господствовала гипотеза, что живые системы формируют свои сети максимально эффективно, экономя материал, что должно соответствовать принципу минимизации длины. Однако эта одномерная модель, представлявшая сети тонкими проводами, постоянно давала сбои при сравнении с реальностью. Физики обратили внимание на то, что биологические структуры являются непрерывными трехмерными объектами, чьи поверхности должны плавно соединяться.

В новой работе, опубликованной в журнале Nature, ученые показали, что форма таких сетей почти идеально описывается уравнениями, заимствованными из теории струн. Эта область физики, разработанная для объединения квантовой механики и гравитации, создала мощный математический инструмент для вычисления так называемых минимальных поверхностей — самых гладких и эффективных способов соединения объектов в пространстве. Эти уравнения позволили объяснить особенности строения, которые не могла предсказать старая теория, например, распространенность не только двойных, но и тройных, четверных разветвлений, а также наличие тонких боковых отростков, растущих почти под прямым углом. Такие «перпендикулярные побеги» характерны и для нейронов мозга, где они часто заканчиваются синапсами, и для корней растений, что позволяет системе исследовать окружающее пространство с минимальными затратами.

Исследователи проверили выводы теории на высокоточных трехмерных сканах шести различных сетей: нейронов человека и плодовой мушки, кровеносных сосудов человека, тропических деревьев, кораллов и растения арабидопсиса. Во всех случаях структура разветвлений соответствовала принципу минимизации поверхности лучше, чем устаревшей модели. Ученые отмечают, что биологические системы не достигают абсолютного математического идеала из-за множества конкурирующих требований, но общий геометрический принцип остается универсальным для самых разных форм жизни.

Открытие демонстрирует, как абстрактный инструментарий теоретической физики может найти практическое применение для понимания реальных биологических систем. В перспективе эти знания могут помочь в создании искусственных сетей, например, при 3D-биопечати тканей с сосудами или проектировании более эффективных транспортных и коммуникационных систем.