¿Por qué la naturaleza se divide en bifurcaciones de tres y cuatro vías?: Optimización de "superficies" en lugar de alambres

"La naturaleza detesta el desperdicio." Cuando observamos los vasos sanguíneos, los nervios, las ramas de los árboles, las raíces de las plantas y las estructuras de los corales, surge esta intuición. Con la menor cantidad de material posible, llegar lo más lejos posible, a la mayor cantidad de lugares posible——. Durante años, los científicos han intentado traducir esta intuición en matemáticas bajo el concepto de "cableado más corto" para explicar las redes de la vida.

Sin embargo, este modelo clásico ha tropezado repetidamente. Las ramificaciones que predice la teoría tienden a ser "bifurcaciones básicas". Pero en la naturaleza real, es común encontrar estructuras con trifurcaciones, cuadrifurcaciones o ramas que se extienden en ángulos "irregulares". Cualquiera que haya esbozado un árbol al menos una vez querrá refutar de inmediato que "no se trata solo de bifurcaciones". Phys.org

Las limitaciones de ver "como cables"

El estudio presentado por Phys.org (basado en un comunicado de prensa de RPI) aborda de manera directa la causa de este estancamiento. Afirma que hemos estado considerando las redes naturales demasiado como "hilos delgados". Los vasos sanguíneos y los nervios reales no son líneas como hilos. Tienen grosor, tienen superficie, y en los puntos de ramificación, esas superficies deben conectarse suavemente——es decir, no son "objetos unidimensionales" sino "objetos tridimensionales". Phys.org

Este cambio de perspectiva es significativo. En el enfoque del "árbol de Steiner" (Steiner graph), que es emblemático de la minimización de cables, hay fuertes restricciones en el grado de los nodos (cuántas ramas se cruzan) y en los ángulos de ramificación. Por otro lado, los datos empíricos muestran repetidamente nodos de alto grado (por ejemplo, grado 4 correspondiente a trifurcaciones), ramas que se extienden en direcciones perpendiculares y ángulos de ramificación asimétricos. El artículo de Nature también reconoce primero como un hecho las "desviaciones sistemáticas" de las predicciones convencionales (minimización de longitud y volumen) y argumenta que esto se debe a que se ignoraron los costos de forma en 3D. Nature

La clave es "superficies mínimas"——las matemáticas de la teoría de cuerdas entran en juego

Aquí es donde entra en juego la matemática derivada de la teoría de cuerdas. La teoría de cuerdas es famosa como un "candidato a la teoría última del universo", pero sigue siendo "no confirmada" en términos de verificación experimental. Sin embargo, las herramientas matemáticas desarrolladas allí son muy poderosas, especialmente las técnicas para tratar "superficies mínimas". El equipo de investigación reinterpretó las ramificaciones de las redes biológicas como una "optimización de superficies" y demostró que este marco de superficies mínimas reproduce sorprendentemente bien las características de las ramificaciones. Phys.org

El punto es que el "costo de la naturaleza" no es simplemente la "longitud de la línea", sino que incluye el "costo geométrico de conectar suavemente como una estructura con superficie". El artículo de Nature muestra que esta minimización de superficies se puede mapear a diagramas de Feynman de alta dimensión (una técnica de cálculo de la teoría de cuerdas), permitiendo manejar problemas de optimización numéricamente intratables con herramientas del lado de la teoría de cuerdas. Nature

Qué se puede explicar ahora: trifurcaciones, cuadrifurcaciones y "brotes ortogonales"

Lo interesante de esta teoría es que puede reproducir "lo que es común en la naturaleza" de manera natural.

• Ramificaciones de alto grado (por ejemplo, trifurcaciones, cuadrifurcaciones)
  Los modelos tradicionales tienden a centrarse en bifurcaciones, pero la minimización de superficies permite la estabilidad de nodos de alto grado. El artículo de Nature predice que las redes que localmente se asemejan a estructuras arbóreas pueden, bajo ciertas condiciones, transitar a configuraciones "no explicables por la minimización de longitud", donde aparecen trifurcaciones, entre otras. Nature

• "Brotes que se extienden en ángulos rectos (orthogonal sprouts)"
  El artículo de Phys.org menciona que esta teoría incluso predice ramas (brotes) como "brotes delgados en callejones sin salida", que son comunes en nervios y plantas. Además, se señala que en el cerebro humano, el 98% de estos brotes en ángulos rectos terminan en sinapsis (puntos de conexión), interpretándose como un mecanismo para realizar búsquedas locales minimizando el costo de materiales. Phys.org
  
  El artículo de Nature también incluye en su resumen la predicción de que los brotes ortogonales son comunes en las redes reales y contribuyen funcionalmente (formación de sinapsis en el cerebro, acceso a nutrientes en plantas y hongos). Nature
  
  
  
  

Cuán plausible es: verificación con seis tipos de "datos reales"

Ante la pregunta "¿y los datos?", el artículo es bastante concreto. El equipo de investigación utilizó escaneos 3D de alta resolución para comparar seis tipos de redes: **nervios humanos, nervios de la mosca de la fruta, vasos sanguíneos humanos, árboles tropicales, corales y Arabidopsis**. Reportaron que los patrones de ramificación son consistentemente cercanos a las predicciones de "minimización de superficies". Phys.org

Por supuesto, los organismos no están hechos solo de física. Hay restricciones de programas de desarrollo, incentivos químicos, eficiencia de fluidos, entre otros objetivos. De hecho, el artículo de Phys.org menciona que "las redes reales pueden ser hasta un 25% más largas que el mínimo absoluto de la teoría", sugiriendo que la teoría no es el "único factor determinante", sino más bien un criterio geométrico que aparece de manera robusta en la optimización de múltiples objetivos. Phys.org

No es que "la teoría de cuerdas sea correcta", pero su valor es significativo

Es fácil malinterpretar que "la teoría de cuerdas explica la biología = la teoría de cuerdas es la respuesta del universo". El propio artículo de Phys.org aclara que, aunque la teoría de cuerdas no está verificada como física fundamental, las matemáticas desarrolladas allí han sido "prácticamente efectivas". Phys.org

Esto significa que es más preciso verlo como un ejemplo exitoso de "aplicación de herramientas matemáticas" en lugar de un juicio sobre la "veracidad de la teoría física".

Aplicaciones futuras: tejidos impresos en 3D, redes urbanas y de transporte

RPI/Phys.org también aborda las aplicaciones. Si se pueden comprender los principios de diseño de las ramificaciones, podría haber pistas para diseñar tejidos impresos en 3D con vasos sanguíneos, así como para diseñar infraestructuras de transporte, tuberías y urbanas más eficientes. La "forma de conectarse" de los organismos biológicos está directamente relacionada con la "forma de conectar" en la ingeniería. Phys.org

Reacciones en redes sociales (resumen de tendencias visibles)

Hasta ahora, la difusión del artículo combina "sorpresa" con "cautela".

• Las publicaciones oficiales destacan la sorpresa de que "la geometría de la teoría de cuerdas predice ramificaciones"
  El X oficial de Phys.org enfatiza brevemente que los principios geométricos de la teoría de cuerdas pueden predecir las complejas ramificaciones de las redes biológicas. X (formerly Twitter)
  La publicación de Phys.org en LinkedIn también destaca que "no se trata de optimización unidimensional, sino de minimización de superficies tridimensionales". LinkedIn

• En los comentarios, también hay críticas reflejas al "término teoría de cuerdas"
  En LinkedIn, se puede observar que la discusión se desvía hacia la "cosmología (multiverso, etc.)" que la teoría de cuerdas tiende a evocar, con comentarios que cuestionan incluso la "definición de 'universo'". Esto sugiere que la imagen cosmológica de la teoría de cuerdas puede confundirse fácilmente con el enfoque principal de la investigación (optimización geométrica de redes biológicas). LinkedIn

• También hay difusión del tipo "compartir por compartir"
  A través de Newswise, se pueden encontrar publicaciones individuales que presentan el artículo, lo que sugiere que está circulando por su interés. X (formerly Twitter)

• La página principal de Phys.org no tiene comentarios en el momento de la publicación del artículo
  Al menos en el momento de la captura, aparece "Load comments (0)", lo que sugiere que la discusión podría estar fluyendo hacia las redes sociales. Phys.org