Não há duas folhas que compartilhem exatamente os mesmos padrões de vasos, ainda assim, cada um tem uma rede consistentemente estruturada que permite que a água e os nutrientes sejam transportados por sua superfície. Os insights da física mostram como redes vasculares como essas podem evoluir para uma ampla variedade de formas e estruturas a partir de um único ponto de partida. Crédito:Universidade da Pensilvânia
De veias que transportam oxigênio para os tecidos até o xilema que envia água para os caules e folhas, as redes vasculares são um componente crucial da vida. Em biologia, existe uma ampla gama de padrões únicos, como as estruturas individualizadas encontradas nas folhas, junto com muitas estruturas conservadas, como artérias e veias nomeadas no corpo humano. Essas duas observações levaram os cientistas a pensar que as redes vasculares evoluíram a partir de um design comum, mas como, exatamente, poderia a natureza criar tantas estruturas complexas a partir de um único ponto de partida?
Um novo estudo mostra como uma ampla variedade de redes vasculares pode ser criada alterando apenas um pequeno número de atributos de uma rede. Publicado em Cartas de revisão física , o trabalho de dois físicos, o ex-pós-doutorado da Penn Henrik Ronellenfitsch e a professora Eleni Katifori, mostra que as redes vasculares evoluem por meio de uma troca entre o quão bem a rede pode transportar fluido, o "custo de uma rede, "ou quantas células são necessárias para construir a rede, e sua robustez, ou quão bem o sistema funciona se parte da estrutura estiver danificada.
Esta pesquisa baseia-se no trabalho anterior de Katifori e Ronellenfitsch sobre "equações de adaptação, "modelos matemáticos de sistemas que são bons em uma função específica, como fluido em movimento. Neste estudo, eles queriam ver se sua equação de adaptação poderia fazer com que as redes vasculares se "organizassem" na estrutura mais eficiente possível.
Para testar a ideia deles, os pesquisadores aplicaram sua equação de adaptação em uma grande coleção de redes vasculares simuladas para ver quais combinações de atributos poderiam ser alteradas para criar novas estruturas. Ronellenfitsch então pegou as redes resultantes e aplicou uma ferramenta matemática, um comumente usado em economia e finanças, para comparar a eficiência de diferentes projetos de rede.
Quando os pesquisadores desejam analisar os custos e benefícios de diferentes trade-offs, eles contam com um conceito conhecido como eficiência de Pareto. Como um exemplo, na renovação de uma casa com novo isolamento com um orçamento limitado, pode-se gastar muito dinheiro e ter uma casa bem isolada, ou gaste menos dinheiro e faça pouco para melhorar o isolamento. O conjunto de opções mais eficiente, no espectro de baixo a alto custo e de poucas a muitas renovações no exemplo ilustrativo, é conhecida como fronteira de Pareto. Usando essa abordagem, Ronellenfitsch foi capaz de ver quais atributos eram os mais importantes para criar redes vasculares eficientes. "As redes que identificamos são aquelas em que você não pode melhorar nenhum desses requisitos sem piorar em um dos outros, " ele diz.
Redes de exemplo que começam com uma entrada de fluido no centro. Cada nó, ou ramificação do centro, é uma saída de fluido, e cada nó precisa da mesma quantidade de fluido. À esquerda (arquétipo reticulado) estão as redes que são muito robustas, mas, por causa de sua estrutura circular, são muito caros de fazer. À direita (arquétipo de árvore) estão as redes menos robustas, porque eles não têm redundância e podem falhar se uma ramificação for quebrada, mas são mais fáceis de fazer. Crédito:Eleni Katifori e Henrik Ronellenfitsch
Os pesquisadores descobriram que a eficiência da rede vascular foi impulsionada por quão robusta a rede era para danificar e quão "cara" era para construir. Em um espectro de mudanças nesses dois atributos, os pesquisadores podiam criar uma ampla variedade de estruturas, desde redes intrincadamente entrelaçadas que eram robustas contra danos até projetos mais simples que não resistiam à quebra.
Mas como a natureza sabe equilibrar custo e robustez? Simulando flutuações, ou mudanças na quantidade média de fluido que se moveu através de partes da rede, eles descobriram que as mudanças nas taxas de fluxo impactam se uma rede deve ser robusta ou não. "Se você quiser algo que seja barato, mas não robusto, é melhor você não ter muitas flutuações, "diz Katifori.
No futuro próximo, O laboratório de Katifori comparará seus modelos com dados de redes de navios em fábricas. "Um olhar superficial parece confirmar que os tipos de redes nas simulações existem mais ou menos no mundo real, mas não quantificamos isso explicitamente. É difícil explorá-los quantitativamente de forma controlada porque se você tentar interromper a flutuação, você atrapalha tantas outras coisas, " ela diz.
Além de suas implicações na biologia e evolução, essa teoria também pode ser útil no projeto de redes de engenharia, como redes elétricas. "Você esperaria que as redes de energia seguissem princípios semelhantes; você gostaria que a rede de energia fosse barata, mas também robusta contra interrupções, para que você não tenha apagões, e eficiente no transporte de energia, "diz Ronellenfitsch.
É também outro exemplo de como as ideias sobre eficiência e alocação de recursos, que normalmente estão ligados a áreas aplicadas, como economia e finanças, também se conectam à evolução e biologia. "A biologia pode ter que resolver o mesmo problema, independentemente do organismo, "Katifori diz, "e esse problema é fazer uma rede que seja boa em algo específico. Exatamente como a biologia implementa essa regra está além do nosso alcance, mas acreditamos que a biologia encontrou uma maneira universal de resolver o mesmo problema, implementando-o de forma diferente. "
