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胡丹和蔡申瓯教授最新PRL论文:关于生物输运网络的演化与优化研究

近期,物理学的顶级学术期刊物理评论快报 ( Physical Review Letters) 发表了上海交通大学自然科学研究院及数学系胡丹和蔡申瓯完成的题为“Adaptation and Optimization of Biological Transport Networks”的论文(2013年9月27日,Published Online), 报道了他们关于生物输运网络(包括血管、叶脉等)通过演化实现网络结构优化的工作,并将文中的一个最优网络的图片选为物理评论快报该期封面图片。

在此前关于生物输运网络的工作中,人们相信这些网络的结构具有与其功能相应的优化性质。然而,生命系统必须寻找到一种可行的机制来实现这种最优结构。已有的实验观察表明,血管在血流产生的管壁剪切力的刺激下具有适应性生长行为。在作者此前的工作中,他们应用血管适应性生长的模型准确的预测了斑马鱼脑血管在发育过程中的剪裁行为。在他们的这项新工作中,他们建立了包括血管、叶脉等更一般的生物输运网络的、只由局部信息刺激的演化模型,并证明由这些局部刺激决定的演化机制将诱导最优化网络的形成。从数学结构上看,这是在网络的边上的特定的动力学行为诱导出特定网络结构的过程。

血管和叶脉系统中圈的存在一直是吸引人们注意力的问题。在他们的新模型中,他们纳入了由毛细血管开闭或气孔开闭等引起的网络内流量分布的波动行为,并进一步通过数值模拟说明,在流量分布固定的情况下,最优网络为树状结构;而流量分布的波动强度较大时,最优网络中能包含一定数量的圈;同时,圈的数量随波动的加强而增加。因此,在这一特定的演化过程中,随机性保证了圈的稳定性。这一结果对如动脉吻等形成的生物输运网络中的圈结构的稳定性给出了解释。

该期物理评论快报封面:在没有流量分布波动的情况下通过演化得到的最优网络结构

参考文献:” Adaptation and Optimization of Biological Transport Networks”, Physical Review Letters, 111, 138701 (2013).

[Journal URL: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i13/e138701]