Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci popsali, jak se v transportních sítích existujících v přírodě objevují smyčky, které jsou současně klíčové pro stabilitu těchto sítí. Podle nové studie má cca platit, že když jedna větev sítě dosáhne hranice systému, interakce mezi větvemi se prudce změní. Dříve se odpuzující větve se začnou vzájemně přitahovat, což vede k náhlému vzniku smyček.
Popsaný proces se objevuje v překvapivě velkém množství systémů – od sítí elektrických výbojů přes nestability v mechanice tekutin až po biologické sítě, jako je systém kanálků u medúzy Aurelia aurita.
Sítě mohou mít geometrii podobnou stromu, kde se větve během růstu pouze rozdělují a odpuzují. V jiných případech, kdy se větve během růstu přitahují a znovu spojují, se jedná o smyčkové struktury.
Sítě s mnoha smyčkami jsou rozšířené v živých organismech, kde aktivně transportují kyslík nebo živiny a odstraňují odpadní produkty metabolismu. Důležitou výhodou smyčkových sítí je jejich menší zranitelnost vůči poškození; v sítích bez smyček může zničení jedné větve odříznout všechny připojené větve, zatímco v sítích se smyčkami existuje vždy další spojení se zbytkem systému.
Vědci z Fyzikální fakulty Varšavské univerzity již dříve popsali mechanismus, který je zodpovědný za stabilitu již existujících smyček. Dynamický proces vedoucí k jejich vzniku však zůstal nejasný.
Mnoho transportních sítí roste v reakci na difuzní pole, jako je koncentrace látky, tlak v systému nebo elektrický potenciál. Toky takového pole se mnohem snadněji přenášejí větvemi sítě než okolním prostředím. To ovlivňuje rozložení pole v prostoru – hromosvody přitahují elektrické výboje právě proto, že mají menší odpor než okolní vzduch. Velký rozdíl v odporu mezi sítí a okolním prostředím vede ke konkurenci a odpuzování mezi větvemi.
„Tvorba smyček, když jedna z větví dosáhne hranice systému – jev, který popisujeme v naší nejnovější publikaci – byla poprvé zaznamenána v síti kanálků gastrovaskulárního systému medúz,“ uvádí hlavní autor nové práce Stanisław Żukowski. „Při analýze vývoje těchto kanálků v průběhu času jsem si všiml, že když se jeden z nich napojí na žaludek medúzy (hranici systému), pak jsou k němu okamžitě přitahovány kratší kanálky a vytvářejí smyčky.“
Podobnou dynamiku vědci posléze objevili v řadě dalších systému, z čehož odvodili, že pro tento jev musí existovat jednoduché fyzikální vysvětlení. Ve své publikaci představili model popisující interakce mezi větvemi. Zaměřili se na to, jak se tyto interakce mění, když se jedna z větví přiblíží k hranici systému a dojde k průlomu. Konkurence a odpuzování mezi větvemi pak mizí a objevuje se přitahování, což nevyhnutelně vede ke vzniku smyček. (poznámka PH: Ale proč by tomu tak mělo být? Jde o model, který někdy funguje, někdy jistě zase nefunguje, a co dál? Jak se v tom vyznat nějak obecněji?)
Stanisław Żukowski et al, Breakthrough-induced loop formation in evolving transport networks, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401200121
Zdroj: University of Warsaw / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Možná to je tak (jen první nápad), že když větev dosáhne hranice systému a prorazí ho, změní se difuzní pole kolem ní (třeba proto, že se změní její obsah) tak, že už ji ostatní větve „nevidí“. A to přitahování pak je způsobeno tím, že vzdálenější větve od ni ty bližší stále odpuzují, ale ta, co dosáhla hranice systému, je už nedpuzuje. A tedy vznik smyček je způsoben odpuzováním těch vzdálenějších větví, ne tím, že by je ta větev, co dosáhla hranice, aktivně přitahovala.