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.
Источник: new-science.ru
Источник: ai-news.ru
Похожие записи
- Состояние дел с программами-вымогателями в 2026 году: выплаты падают, но уровень шифрования растет.
- «Узкое место» в пространственной биологии: почему модели ИИ терпят неудачу при работе со сложными тканями и что на самом деле помогает это исправить.
- Частый просмотр телевизора связали с патологией белого вещества головного мозга. Сидячий образ жизни с когнитивными нагрузками не оказывал подобного эффекта
Оцените материал:
Похожие записи
Apple представила процессор M5 с большим скачком производительности
15.10.2025
Ученые, разработчики и предприниматели получат премию Мэра Москвы за прорывные достижения в науке и технологиях: Гуманитарные науки
20.05.2026
Ученые считают, что в мозге существует предустановленная «операционная система»
26.11.2025Присоединяйтесь и подпишитесь на рассылку самых свежих новостей по Email
Получайте свежие новости и идеи на почту. Без спама — только самое интересное.
Нажимая «Подписаться», вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности.
