Desde las venas que transportan oxígeno a los tejidos hasta el xilema que envía agua a los tallos y hojas, Las redes vasculares son un componente crucial de la vida. En biología, hay una amplia gama de patrones únicos, como las estructuras individualizadas que se encuentran en las hojas, junto con muchas estructuras conservadas, como arterias y venas con nombre en el cuerpo humano. Estas dos observaciones llevaron a los científicos a pensar que las redes vasculares evolucionaron a partir de un diseño común, pero cómo, exactamente, ¿Podría la naturaleza crear tantas estructuras complejas a partir de un solo punto de partida?

Un nuevo estudio muestra cómo se puede crear una amplia variedad de redes vasculares cambiando solo una pequeña cantidad de los atributos de una red. Publicado en Cartas de revisión física , el trabajo de dos físicos, el ex postdoctorado de Penn Henrik Ronellenfitsch y la profesora Eleni Katifori, muestra que las redes vasculares evolucionan a través de una compensación entre qué tan bien la red puede transportar fluido, el "costo de una red, "o cuántas celdas se necesitan para construir la red, y su robustez, o qué tan bien funciona el sistema si parte de la estructura está dañada.

Esta investigación se basa en el trabajo anterior de Katifori y Ronellenfitsch sobre "ecuaciones de adaptación, "modelos matemáticos de sistemas que son buenos para una función específica, como fluido en movimiento. En este estudio, querían ver si su ecuación de adaptación podía hacer que las redes vasculares se "autoorganizaran" en la estructura más eficiente posible.

Para probar su idea, los investigadores aplicaron su ecuación de adaptación en una gran colección de redes vasculares simuladas para ver qué combinaciones de atributos podrían cambiarse para crear nuevas estructuras. Ronellenfitsch luego tomó las redes resultantes y aplicó una herramienta matemática, uno de uso común en economía y finanzas, para comparar la eficiencia de diferentes diseños de redes.

Cuando los investigadores quieren analizar los costos y beneficios de diferentes compensaciones, se basan en un concepto conocido como eficiencia de Pareto. Como ejemplo, en la renovación de una casa con nuevo aislamiento con un presupuesto limitado, uno puede gastar mucho dinero y tener una casa bien aislada, o gastar menos dinero y hacer poco para mejorar el aislamiento. El conjunto de opciones más eficiente, en el espectro de bajo a alto costo y de pocas a muchas renovaciones en el ejemplo ilustrativo, se conoce como la frontera de Pareto. Usando este enfoque, Ronellenfitsch pudo ver qué atributos eran los más importantes para crear redes vasculares eficientes. "Las redes que identificamos son aquellas en las que no se puede mejorar ninguno de estos requisitos sin empeorar en alguno de los demás, " él dice.

Los investigadores descubrieron que la eficiencia de la red vascular se basaba en la resistencia de la red a los daños y en lo "caro" de construir. A través de un espectro de cambios en estos dos atributos, los investigadores podían crear una amplia variedad de estructuras a partir de redes intrincadamente entrelazadas que eran robustas contra daños a diseños más simples que no resistirían la rotura.

Pero, ¿cómo sabe la naturaleza cómo equilibrar los costes con la robustez? Simulando fluctuaciones, o cambios en la cantidad promedio de líquido que se movió a través de partes de la red, encontraron que los cambios en las tasas de flujo impactan si una red debe ser robusta o no. "Si quieres algo que sea barato pero no robusto, es mejor que no tengas muchas fluctuaciones, "dice Katifori.

En el futuro cercano, El laboratorio de Katifori comparará sus modelos con los datos de las redes de buques en las plantas. "Una mirada superficial parece confirmar que los tipos de redes en las simulaciones existen más o menos en el mundo real, pero no lo hemos cuantificado explícitamente. Es difícil explorarlos cuantitativamente de manera controlada porque si intenta interrumpir la fluctuación, interrumpes tantas otras cosas, " ella dice.

Más allá de sus implicaciones en biología y evolución, esta teoría también podría resultar útil en el diseño de redes de ingeniería, como las redes eléctricas. "Uno esperaría que las redes eléctricas siguieran principios similares; querría que la red eléctrica fuera barata pero también robusta contra cortes, para que no tengas apagones, y eficiente en el transporte de energía, "dice Ronellenfitsch.

También es otro ejemplo de cómo las ideas sobre eficiencia y asignación de recursos, que suelen estar vinculados a campos aplicados como la economía y las finanzas, también se conectan con la evolución y la biología. "La biología podría tener que resolver el mismo problema independientemente del organismo, "Katifori dice, "y ese problema es crear una red que sea buena en algo en particular. Exactamente cómo la biología implementa esa regla está más allá de nuestro alcance, pero creemos que la biología ha encontrado una forma universal de resolver el mismo problema implementándolo de manera diferente ".