Des veines qui fournissent de l'oxygène aux tissus au xylème qui envoie de l'eau dans les tiges et les feuilles, Les réseaux vasculaires sont une composante cruciale de la vie. En biologie, il existe une large gamme de modèles uniques, comme les structures individualisées trouvées sur les feuilles, ainsi que de nombreuses structures conservées, telles que les artères et les veines nommées dans le corps humain. Ces deux observations ont amené les scientifiques à penser que les réseaux vasculaires ont évolué à partir d'une conception commune, mais comment, exactement, la nature pourrait-elle créer autant de structures complexes à partir d'un seul point de départ ?

Une nouvelle étude montre comment une grande variété de réseaux vasculaires peut être créée en ne modifiant qu'un petit nombre d'attributs d'un réseau. Publié dans Lettres d'examen physique , le travail de deux physiciens, l'ancien postdoctorant Penn Henrik Ronellenfitsch et le professeur Eleni Katifori, montre que les réseaux vasculaires évoluent grâce à un compromis entre la capacité du réseau à transporter du fluide, le "coût d'un réseau, " ou combien de cellules il faut pour construire le réseau, et sa robustesse, ou le bon fonctionnement du système si une partie de la structure est endommagée.

Cette recherche s'appuie sur les travaux antérieurs de Katifori et Ronellenfitsch sur les « équations d'adaptation, " des modèles mathématiques de systèmes qui sont bons pour une fonction spécifique, comme un fluide en mouvement. Dans cette étude, ils voulaient voir si leur équation d'adaptation pouvait amener les réseaux vasculaires à "s'auto-organiser" dans la structure la plus efficace possible.

Pour tester leur idée, les chercheurs ont appliqué leur équation d'adaptation sur une grande collection de réseaux vasculaires simulés pour voir quelles combinaisons d'attributs pourraient être modifiées pour créer de nouvelles structures. Ronellenfitsch a ensuite pris les réseaux résultants et appliqué un outil mathématique, un couramment utilisé en économie et en finance, comparer l'efficacité de différentes conceptions de réseau.

Lorsque les chercheurs veulent analyser les coûts et les avantages de différents compromis, ils s'appuient sur un concept connu sous le nom d'efficacité de Pareto. Par exemple, à rénover une maison avec une nouvelle isolation avec un budget limité, on peut soit dépenser beaucoup d'argent et avoir une maison bien isolée, ou dépenser moins d'argent et faire peu pour améliorer l'isolation. L'ensemble d'options le plus efficace, sur le spectre des coûts bas à élevés et de quelques à plusieurs rénovations dans l'exemple illustratif, est connue comme la frontière de Pareto. En utilisant cette approche, Ronellenfitsch a pu voir quels attributs étaient les plus importants pour créer des réseaux vasculaires efficaces. "Les réseaux que nous identifions sont ceux où l'on ne peut améliorer aucune de ces exigences sans empirer l'une des autres, " il dit.

Les chercheurs ont découvert que l'efficacité du réseau vasculaire dépendait de la robustesse du réseau aux dommages et du coût « coûteux » de sa construction. À travers un éventail de changements apportés à ces deux attributs, les chercheurs ont pu créer une grande variété de structures à partir de réseaux entrelacés de manière complexe qui étaient robustes contre les dommages à des conceptions plus simples qui ne résisteraient pas à la rupture.

Mais comment la nature sait-elle concilier coût et robustesse ? En simulant les fluctuations, ou des changements dans la quantité moyenne de fluide qui s'est déplacée à travers des parties du réseau, ils ont constaté que les changements de débits ont un impact sur la robustesse ou non d'un réseau. "Si vous voulez quelque chose de bon marché mais pas robuste, vous feriez mieux de ne pas avoir beaucoup de fluctuations, " dit Katifori.

Dans le futur proche, Le laboratoire de Katifori comparera leurs modèles avec des données sur les réseaux de vaisseaux dans les plantes. "Un coup d'œil rapide semble confirmer que les types de réseaux dans les simulations existent plus ou moins dans le monde réel, mais nous n'avons pas quantifié cela explicitement. Il est difficile de les explorer quantitativement de manière contrôlée, car si vous essayez de perturber la fluctuation, tu perturbes tant d'autres choses, " elle dit.

Au-delà de ses implications en biologie et en évolution, cette théorie pourrait également s'avérer utile dans la conception de réseaux techniques tels que les réseaux électriques. « Vous vous attendriez à ce que les réseaux électriques suivent des principes similaires ; vous voudriez que le réseau électrique soit bon marché mais aussi robuste contre les pannes, pour ne pas avoir de pannes, et efficace pour transporter la puissance, " dit Ronellenfitsch.

C'est aussi un autre exemple de la façon dont les idées sur l'efficacité et l'allocation des ressources, qui sont généralement liés à des domaines appliqués comme l'économie et la finance, aussi se connecter à l'évolution et à la biologie. "La biologie pourrait avoir à résoudre le même problème quel que soit l'organisme, " Katifori dit, "Et ce problème est de créer un réseau qui est bon dans quelque chose de particulier. La manière exacte dont la biologie implémente cette règle est hors de notre portée, mais nous pensons que la biologie a trouvé un moyen universel de résoudre le même problème en le mettant en œuvre différemment."