Araştırmacılar yüz yılı aşkın süredir kan damarlarının, nöronların, ağaç dallarının ve benzeri biyolojik ağların neden belirli şekillerde dallandığını anlamaya çalışıyor. Uzun süre boyunca hakim görüş, doğanın bu yapıları en verimli şekilde kurduğu, yani mümkün olan en az miktarda malzeme kullanarak ağları oluşturduğu yönündeydi. Ancak klasik matematiksel modellerle yapılan hesaplamalar, gerçek doğal yapılarla karşılaştırıldığında yetersiz kaldı.
Bu uyumsuzluğun nedeni, araştırmacılara göre, sorunun yanlış boyutta ele alınmasıydı. Rensselaer Polytechnic Institute’tan fizikçi Xiangyi Meng ve ekibi, bu yapıların ince teller gibi düşünülmesinin büyük bir hata olduğunu belirtiyor. Çünkü damarlar, nöronlar ve bitki kökleri iki boyutlu çizgiler değil; kalınlığı olan, yüzeyleri bulunan üç boyutlu nesneler.
Meng ve arkadaşları Nature dergisinde yayımlanan yeni çalışmalarında, bu sorunu açıklamak için beklenmedik bir alana başvurdu: sicim kuramı. Evrenin temel yapısını açıklamayı amaçlayan bu teorik fizik yaklaşımı, ilk kez gerçek biyolojik yapıları tanımlamakta başarılı oldu. Sicim kuramı doğrulanmış bir temel fizik teorisi olmasa da, geliştirdiği matematiksel araçların doğanın üç boyutlu ağlarını anlamada şaşırtıcı derecede işe yarar olduğu görülüyor.
Sicim kuramıyla kurulan benzerlik, kullanılan matematiksel çerçevede ortaya çıkıyor. Sicim kuramında temel nesneler, uzayda titreşen noktasal parçacıklar değil, yüzeyi olan sicimler ve zarlar olarak ele alınıyor. Bu sicimler, uzayzaman içinde en az enerjiye karşılık gelen “minimum yüzey” biçimlerini almaya çalışıyor. Meng ve ekibinin gösterdiği üzere, kan damarları ya da nöronlar da benzer bir şekilde, üç boyutlu uzayda yüzeylerini mümkün olan en düzgün ve pürüzsüz biçimde birbirine bağlayacak geometrilere yöneliyor. Örneğin sicim kuramında birden fazla sicimin birleştiği noktalar, yalnızca iki kola ayrılan basit bağlantılarla sınırlı kalmıyor; üç ya da daha fazla sicimin dengede birleştiği düğüm noktaları doğal olarak ortaya çıkıyor. Aynı durum biyolojik ağlarda da gözleniyor: ağaç dallarında, damar çatallanmasında ya da nöronlarda sıkça rastlanan üçlü ve dörtlü ayrımlar, uzunluk minimizasyonu ile değil, yüzey minimizasyonu ile açıklanabiliyor. Benzer biçimde, sicim kuramında ortaya çıkan ve ana yapıya dik uzanan yan yüzeyler, biyolojide nöronlardaki dik açılı ince çıkıntılarla örtüşüyor. Bu çıkıntılar, hem teoride hem de doğada, yapının genel maliyetini artırmadan çevreyle daha fazla temas kurmanın bir yolu olarak beliriyor.
Yüzey minimizasyonu biyolojik dallanmanın temel kuralını ortaya koyuyor
Çalışmanın merkezinde de “yüzey minimizasyonu” adı verilen ilke yer alıyor. 1980’lerde sicim kuramı üzerinde çalışan fizikçiler, uzayda nesneleri en düzgün ve en ekonomik şekilde birbirine bağlayan minimum yüzeyleri hesaplamak için gelişmiş yöntemler geliştirmişti. Bu denklemler, biyolojik ağların nasıl dallandığını neredeyse birebir doğrulukla tarif ediyor. Klasik modeller çoğunlukla ikiye ayrılan dalları öngörürken, yeni yaklaşım doğada sıkça görülen üç ya da daha fazla kola ayrılan dallanmaları da doğal bir sonuç olarak açıklıyor.
Ayrıca teori, nöronlar ve bitkilerde yaygın olan dik açılı, ince çıkıntıların da neden var olduğunu ortaya koyuyor. İnsan beyninde bu çıkıntıların büyük bölümü sinapslarla sonlanıyor ve hücrelerin en az malzeme kullanarak daha fazla bağlantı kurmasını sağlıyor. Benzer şekilde bitki kökleri ve mantar iplikçikleri de bu çıkıntılar sayesinde toprakta suya ve besinlere daha etkin şekilde ulaşıyor.
Araştırmacılar teorilerini insan ve meyve sineği nöronları, insan damar sistemi, tropikal ağaçlar, mercanlar ve Arabidopsis bitkisi gibi farklı canlı gruplarından elde edilen yüksek çözünürlüklü üç boyutlu görüntülerle test etti. Tüm örneklerde, gerçek dallanma geometrisinin basit uzunluk minimizasyonuna dayalı eski modellere göre değil, yüzey minimizasyonu ilkesine göre daha iyi açıklandığı görülüyor. Her ne kadar biyolojik ağlar teorik minimumdan yüzde 25 kadar daha uzun olabilse de, farklı canlı türlerinde aynı geometrik kuralların ortaya çıkması, doğanın evrim boyunca ortak matematiksel çözümlere ulaştığını gösteriyor.
Bu bulgular, gelecekte yapay damar ağları, üç boyutlu yazdırılmış dokular ve daha verimli mühendislik sistemleri tasarlamak için de yol gösterici olabilir. Daha geniş bir bakışla ise, yaşamın karmaşık yapılarının bile evrenin derinliklerinde geliştirilen soyut fizik ilkeleriyle açıklanabilmesi, doğanın ekonomisinin ne kadar evrensel olduğunu bir kez daha ortaya koyuyor.
Kaynak: Nature