Блог

Jul 01, 2023

Слизистая плесень расширяет сеть точно так же, как железнодорожная система Токио

Лаура Сандерс, Science News Талантливые и преданные своему делу инженеры потратили бесчисленное количество

Лаура Сандерс, Science News

Талантливые и преданные своему делу инженеры потратили бесчисленные часы на то, чтобы сделать железнодорожную систему Японии одной из самых эффективных в мире. Мог бы просто спросить слизевика.

Когда им дают овсяные хлопья, расположенные по образцу японских городов вокруг Токио, безмозглые одноклеточные слизевики создают сети трубок, по которым проходят питательные вещества, которые поразительно похожи на структуру японской железнодорожной системы, сообщают исследователи из Японии и Англии. 22 по науке. Новая модель, основанная на простых правилах поведения слизевиков, может привести к созданию более эффективных и адаптируемых сетей, утверждает команда.

Каждый день железнодорожная сеть вокруг Токио должна удовлетворять потребности общественного транспорта, быстро и надежно переправляя миллионы людей между отдаленными пунктами, отмечает соавтор исследования Марк Фрикер из Оксфордского университета. «Напротив, у слизевика нет центрального мозга или какого-либо осознания общей проблемы, которую он пытается решить, но ему удается создать структуру, свойства которой аналогичны реальной железнодорожной сети».

Желтая слизевика Physarum polycephalum растет как одна клетка, достаточно большая, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом. Когда он сталкивается с многочисленными источниками пищи, разнесенными в пространстве, клетка слизевика окружает пищу и создает туннели для распределения питательных веществ. В ходе эксперимента исследователи под руководством Тосиюки Накагаки из Университета Хоккайдо в Саппоро, Япония, поместили овсяные хлопья (деликатес из слизевиковой плесени) в узор, имитирующий то, как города разбросаны по Токио, а затем освободили слизевиковую плесень.

Первоначально слизевик равномерно расселился по овсяным хлопьям, исследуя свою новую территорию. Но через несколько часов слизевики начали совершенствовать свою структуру, укрепляя туннели между овсяными хлопьями, в то время как другие звенья постепенно исчезали. Примерно через день слизевики построили сеть взаимосвязанных трубок, по которым передаются питательные вещества. Его конструкция выглядела почти идентично конструкции железнодорожной системы, окружающей Токио, с большим количеством прочных и устойчивых туннелей, соединяющих расположенные в центре овсы. «Между этими двумя системами существует значительная степень совпадения», — говорит Фрикер.

Затем исследователи позаимствовали простые свойства поведения слизевика, чтобы создать основанное на биологии математическое описание формирования сети. Подобно слизевикам, модель сначала создает мелкоячеистую сеть, которая распространяется повсюду, а затем постоянно совершенствует сеть, так что трубки, несущие наибольшее количество груза, становятся более прочными, а лишние трубки отсекаются.

Поведение плазмодия «действительно трудно передать словами», — комментирует биохимик Вольфганг Марван из Университета Отто фон Герике в Магдебурге, Германия. «Вы видите, что они каким-то образом оптимизируются, но как это описать?» Новое исследование «предлагает простую математическую модель сложного биологического явления», написал Марван в статье в том же выпуске журнала Science.

Фрикер отмечает, что такая гибкая система может быть полезна для создания сетей, которые должны меняться со временем, например, беспроводных систем датчиков ближнего действия, которые будут обеспечивать раннее предупреждение о пожаре или наводнении. Поскольку эти датчики разрушаются при возникновении стихийного бедствия, сети необходимо эффективно и быстро перенаправлять информацию. По словам Фрикера, децентрализованные, адаптируемые сети также будут важны для солдат на полях сражений или для групп роботов, исследующих опасную среду.

Новая модель может также помочь исследователям ответить на биологические вопросы, например, как растут кровеносные сосуды, поддерживающие опухоли, говорит Фрикер. Сеть сосудов опухоли сначала представляет собой плотный, неструктурированный клубок, а затем их соединения совершенствуются, чтобы стать более эффективными.

Изображения: Наука/AAAS

Смотрите также:

Уилл Найт

ПРОВОДНОЙ персонал

Энди Гринберг

Эми Мартин