Rensselaer Politexnik İnstitutu tərəfindən

redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Təbii fiziki şəbəkələr, burada göstərilən kiçik riyazi model kimi, davamlı, üçölçülü obyektlərdir. Tədqiqatçılar canlı sistemlərdəki fiziki şəbəkələrin nəzəri fizika çərçivəsi olan sim nəzəriyyəsindən götürülmüş qaydalara əməl etdiyini aşkar ediblər. Mənbə: Xiangyi Meng/RPI

Bir əsrdən çoxdur ki, alimlər qan damarları, neyronlar, ağac budaqları və digər bioloji şəbəkələr kimi fiziki strukturların niyə bu cür göründüyünü düşünürlər. Hakim nəzəriyyəyə görə, təbiət bu sistemləri mümkün qədər səmərəli şəkildə qurur və lazım olan material miqdarını minimuma endirir. Lakin keçmişdə tədqiqatçılar bu şəbəkələri ənənəvi riyazi optimallaşdırma nəzəriyyələri ilə müqayisə etdikdə, proqnozlar həmişə səhv olurdu.

Məlum oldu ki, problem alimlərin üç ölçüdə düşünməli olduqları halda, bir ölçüdə düşünmələri idi. Rensselaer Politexnik İnstitutunun (RPI) fiziki, fəlsəfə doktoru Xiangyi Meng izah edir: “Biz bu strukturlara naqil diaqramları kimi yanaşırdıq. Amma onlar nazik naqillər deyil, səthləri hamar şəkildə birləşdirilməli olan üçölçülü fiziki obyektlərdir.”

Bu ay Menq və həmkarları “Nature” jurnalında canlı sistemlərdəki fiziki şəbəkələrin gözlənilməz bir mənbədən götürülmüş qaydalara əməl etdiyini göstərən bir məqalə dərc etdilər : kainatın fundamental quruluşunu izah etməyə çalışan fizikanın ekzotik bir qolu olan sim nəzəriyyəsi.

Bu əsər, kvant mexanikası və cazibə qüvvəsini birləşdirmək üçün hazırlanmış bir çərçivə olan sim nəzəriyyəsinin real bioloji strukturları uğurla təsvir etdiyi ilk dəfəni təmsil edir. Sim nəzəriyyəsi fundamental fizikanın təsviri kimi təsdiqlənməmiş qalsa da, onun riyazi mexanizmi həyatın üçölçülü məkanda necə təşkil olunduğunu anlamaq üçün gözlənilmədən praktik olduğunu sübut edir.Fiziki şəbəkə manifoldu. Mənbə: Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09784-4

Sim nəzəriyyəsi budaqlanmanı necə izah edir

Menq dedi: “Bioloji şəbəkələrin formalaşmasını tənzimləyən universal bir qayda var kimi görünür. Bu optimallaşdırma qaydası sırf həndəsi xarakter daşıyır. Materialların və ya tapşırıqların növlərinə əhəmiyyət vermir və olduqca universal və bir çox müxtəlif məlumat dəstlərinə tətbiq oluna bilən hala gəlir.”

1980-ci illərdə daha yüksək ölçülərdə titrəyən tellərin riyaziyyatı ilə mübarizə aparan fiziklər “minimal səthləri” hesablamaq üçün mürəkkəb alətlər hazırladılar – bu, məkanda obyektləri birləşdirməyin ən hamar və ən səmərəli yoludur. Menq və həmkarları kəşf etdikləri eyni tənliklər bioloji şəbəkələrin material xərclərini necə minimuma endirdiyini demək olar ki, mükəmməl şəkildə təsvir edir.

Məsələn, ənənəvi riyazi modellər bifurkasiyalara və ya iki tərəfli bölünmələrə əsaslanan bioloji şəbəkələri proqnozlaşdırır. Lakin ağacın budaq quruluşuna baxan hər kəsin dediyi kimi, üç tərəfli, dörd tərəfli və digər növ qovşaqlar təbiətdə olduqca yaygındır.

Sim nəzəriyyəsinin səth minimumlaşdırma prinsipləri isə, əksinə, bu yüksək tərtibli parçalanmalara imkan verir. Onlar həmçinin bitkilər və neyronlar kimi təbii strukturlarda adətən görünən əsasən daha nazik, ölü uclu tumurcuqlar olan “ortoqonal cücərtilər”i proqnozlaşdırırlar. Məsələn, insan beynində bu perpendikulyar cücərtilərin 98%-i sinapslarda – neyronlar arasındakı əlaqə nöqtələrində bitir.

Cücərtilər, əsasən, neyronların ən az miqdarda bioloji materialdan istifadə edərək qonşuları ilə əlaqə qurmasına imkan verir. Eynilə, bitki kökləri və göbələk telləri torpağı su və qida maddələri üçün daha səmərəli şəkildə araşdırmaq üçün perpendikulyar şəkildə cücərir.

Nəzəriyyənin həyat formaları üzərində sınaqdan keçirilməsi

Tədqiqatçılar nəzəriyyələrini altı müxtəlif növ şəbəkənin yüksək dəqiqlikli 3D skanları ilə sınaqdan keçirdilər: insan və meyvə milçəyi neyronları, insan qan damarları, tropik ağaclar, mərcanlar və bioloqlar tərəfindən tez-tez öyrənilən bir növ kress olan Arabidopsis bitkisi. Hər halda, budaqlanma nümunələri səthin minimuma endirilməsi ilə bağlı proqnozları sadə naqillərin minimuma endirilməsinə əsaslanan köhnə nəzəriyyələrdən daha yaxşı üst-üstə düşürdü.

Bu o demək deyil ki, bu şəbəkələrin hər bir detalının yalnız fizika ilə izah edildiyi anlamına gəlmir. Bioloji sistemlər bir çox rəqabətli təzyiqlərlə üzləşir və tədqiqatçılar real dünya şəbəkələrinin nəzəriyyə tərəfindən proqnozlaşdırılan mütləq minimumdan 25%-ə qədər uzun ola biləcəyini aşkar etdilər. Lakin bu cür müxtəlif həyat formaları arasında şaxələnmə nümunələrinin ardıcıllığı təbiətin həyat ağacını qoruyan riyazi prinsiplər üzərində birləşdiyini göstərir.

RPI-nin Fizika, Tətbiqi Fizika və Astronomiya şöbəsinin müdiri, fəlsəfə doktoru Gyorgy Korniss bildirib ki, “Bu nəticələr nəzəri fizikanın mücərrəd alətlər qutusunun bizi beyin və damar şəbəkələrindəki əlaqə modellərini araşdırmaq və daha yaxşı başa düşmək kimi real dünya problemlərinin həllinə necə yaxınlaşdıra biləcəyini nümayiş etdirir və maraqlı bir nümunə təqdim edir”.

Bu tapıntılar nəticədə mühəndislərə işləyən qan damarları olan 3D çap toxumalarından tutmuş daha səmərəli nəqliyyat sistemlərinə qədər daha yaxşı süni şəbəkələr dizayn etməyə kömək edə bilər. Lakin bəlkə də daha dərin dərs təbiətin iqtisadiyyatı ilə bağlıdır: təkamül tez-tez fiziklərin kainatın özünü öyrənərkən tapdıqları eyni riyazi prinsiplərə riayət edir.

Daha çox məlumat: Albert-László Barabási, Səthin optimallaşdırılması fiziki şəbəkələrin yerli dizaynını idarə edir, Təbiət (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09784-4 . www.nature.com/articles/s41586-025-09784-4

Jurnal məlumatı: Təbiət 

Rensselaer Politexnik İnstitutu tərəfindən təmin edilir