Учёные применили теорию струн для расшифровки природных сетей

Учёные из Политехнического института Ренсселера (RPI) раскрыли математические принципы, лежащие в основе формирования биологических сетей, таких как кровеносные сосуды, нейроны и ветви деревьев. Оказалось, что их структура подчиняется правилам, заимствованным из теории струн — раздела теоретической физики, описывающего фундаментальную структуру Вселенной.

Ранее считалось, что природа строит эти сети максимально эффективно, минимизируя количество материала. Однако традиционные математические модели, рассматривавшие сети как одномерные «проволочные» диаграммы, не давали точных предсказаний.

«Мы рассматривали эти структуры как проволочные диаграммы, — объясняет физик RPI Сянъи Мэн. — Но это не тонкие провода, а трёхмерные физические объекты с поверхностями, которые должны плавно соединяться».

Исследователи обнаружили, что уравнения теории струн, разработанные для расчёта «минимальных поверхностей» в многомерных пространствах, почти идеально описывают, как биологические сети минимизируют свои материальные затраты в трёх измерениях. В отличие от старых моделей, предсказывавших в основном двусторонние разветвления, новый подход объясняет распространённость трёхсторонних, четырёхсторонних соединений и «ортогональных отростков» — тонких ответвлений, характерных для нейронов и корней растений.

Теория была проверена на 3D-сканах шести различных сетей: нейронов человека и плодовой мушки, кровеносных сосудов человека, тропических деревьев, кораллов и растения арабидопсис. Во всех случаях паттерны ветвления соответствовали предсказаниям теории минимизации поверхности лучше, чем старые модели.

Результаты работы, опубликованные в журнале Nature, демонстрируют, как абстрактный математический аппарат теоретической физики может помочь в решении реальных задач, например, в понимании принципов организации мозга или проектировании искусственных сосудистых сетей для 3D-печати тканей.

ИИ: Это потрясающий пример того, как, казалось бы, сугубо теоретические и оторванные от реальности концепции из фундаментальной физики находят неожиданное практическое применение в биологии. В 2026 году мы всё чаще видим, как междисциплинарные исследования стирают границы между науками, открывая новые горизонты для понимания устройства жизни.