Pourquoi la nature se divise-t-elle en bifurcations triples ou quadruples : l'optimisation des "surfaces" plutôt que des fils

« La nature déteste le gaspillage. » En observant les vaisseaux sanguins, les nerfs, les branches des arbres, les racines des plantes et les coraux, cette intuition se manifeste. Avec le moins de matériaux possible, atteindre le plus loin possible, vers le plus d'endroits possible——. Pendant des années, les scientifiques ont tenté de traduire cette intuition en mathématiques sous la forme du « câblage le plus court » pour expliquer les réseaux de la vie.

Cependant, ce modèle classique a souvent trébuché. Les bifurcations prévues par la théorie tendent à être principalement des divisions en deux (« bifurcations »). Pourtant, dans la nature, il est courant de trouver des structures avec des trifurcations, des quadrifurcations, ou des branches s'étendant à des « angles irréguliers ». Toute personne ayant déjà esquissé un arbre pourrait immédiatement objecter : « Il n'y a pas que des bifurcations. » Phys.org

Les limites de « voir comme des fils »

L'étude présentée par Phys.org (basée sur un communiqué de presse de RPI) identifie de manière assez directe la cause de cette impasse. Nous avons trop considéré les réseaux naturels comme des « fils fins ». Les vaisseaux sanguins et les nerfs réels ne sont pas des fils. Ils ont de l'épaisseur, une surface, et à leurs points de bifurcation, ces surfaces doivent se connecter de manière fluide——ils sont donc des « objets tridimensionnels » et non « unidimensionnels ». Phys.org

Ce changement de perspective est significatif. Dans l'approche classique de minimisation des fils, telle que le « graphe de Steiner », il y a des contraintes strictes sur le degré des nœuds (combien de branches se rejoignent) et les angles de bifurcation. En revanche, les données mesurées montrent des nœuds de degré élevé (par exemple, degré 4 correspondant à une trifurcation), des branches s'étendant à angle droit, et des angles de bifurcation asymétriques observés à plusieurs reprises. L'article de Nature reconnaît d'abord comme un fait les « déviations systématiques » par rapport aux prédictions traditionnelles (minimisation de la longueur et du volume), et discute que cela provient de l'ignorance des coûts de forme 3D. Nature

La clé est la « surface minimale »——les mathématiques de la théorie des cordes entrent en jeu

C'est ici que les mathématiques issues de la théorie des cordes entrent en scène. Bien que la théorie des cordes soit célèbre comme un « candidat à la théorie ultime de l'univers », elle reste « non confirmée » en termes de vérification expérimentale. Cependant, les outils mathématiques développés dans ce cadre sont très puissants, en particulier les techniques pour traiter les « surfaces minimales ». L'équipe de recherche a réinterprété les bifurcations des réseaux biologiques comme une « optimisation de surface », montrant que ce cadre de surface minimale reproduit remarquablement bien les caractéristiques des bifurcations. Phys.org

Le point clé est que le « coût naturel » n'est pas simplement la « longueur de la ligne », mais inclut le « coût géométrique pour se connecter en douceur en tant que structure avec une surface ». L'article de Nature montre que cette minimisation de surface peut être mappée sur des diagrammes de Feynman en dimensions élevées (une technique de calcul de la théorie des cordes), permettant de traiter des problèmes d'optimisation numériquement intractables avec les outils de la théorie des cordes. Nature

Ce qui peut maintenant être expliqué : trifurcations, quadrifurcations, et « bourgeons orthogonaux »

Ce qui rend cette théorie intéressante, c'est qu'elle peut expliquer « ce qui est communément observé dans la nature ».

• Bifurcations de haut degré (par exemple, trifurcations, quadrifurcations)
  Les modèles traditionnels ont tendance à se concentrer sur les bifurcations, mais la minimisation de surface permet la stabilité des nœuds de haut degré. L'article de Nature prédit que les réseaux localement proches de structures arborescentes peuvent, selon les conditions, se transformer en configurations « non explicables par la minimisation de la longueur », où des trifurcations apparaissent. Nature

• « Bourgeons s'étendant à angle droit (orthogonal sprouts) »
  L'article de Phys.org explique que cette théorie prévoit même des branches (bourgeons) comme des « impasses fines », souvent observées dans les nerfs et les plantes. De plus, dans le cerveau humain, il est mentionné que 98% de ces bourgeons orthogonaux se terminent par des synapses (points de connexion), interprétés comme un mécanisme pour effectuer une exploration locale avec un coût matériel minimal. 98% de ces bourgeons orthogonaux se terminent par des synapses (points de connexion) Phys.org
  
  L'article de Nature inclut également dans son résumé la prédiction que les bourgeons orthogonaux sont fréquents dans les réseaux réels et contribuent à des fonctions telles que la formation de synapses dans le cerveau et l'accès aux nutriments pour les plantes et les champignons.Nature
  
  
  
  

Quelle est la fiabilité : vérification avec six types de « données réelles »

Pour répondre à la question « Qu'en est-il des données ? », l'article est assez précis. L'équipe de recherche a utilisé des scans 3D haute résolution pour comparer six types de réseaux : **nerfs humains, nerfs de drosophile, vaisseaux sanguins humains, arbres tropicaux, coraux, et Arabidopsis**, rapportant que les motifs de bifurcation sont systématiquement proches des prévisions de « minimisation de surface ». Phys.org

Bien sûr, les organismes ne sont pas faits que de physique. Il existe des contraintes multi-objectifs telles que les programmes de développement, les incitations chimiques, et l'efficacité des fluides. En fait, l'article de Phys.org mentionne que « les réseaux réels peuvent être jusqu'à 25% plus longs que le minimum théorique absolu », suggérant que la théorie est mieux vue comme un critère géométrique robuste apparaissant dans l'optimisation multi-objectifs plutôt que comme le « seul facteur déterminant ». un critère géométrique robuste apparaissant dans l'optimisation multi-objectifs Phys.org

Ce n'est pas une question de « la théorie des cordes est correcte »——mais sa valeur est grande

Il est facile de mal interpréter cela comme « la théorie des cordes a expliqué la biologie = la théorie des cordes est la bonne réponse pour l'univers ». L'article de Phys.org clarifie que, bien que la théorie des cordes reste non vérifiée en tant que physique fondamentale, les mathématiques développées dans ce cadre ont « prouvé leur utilité pratique ». Phys.org

Ainsi, il est plus précis de considérer cela comme un exemple réussi de « réutilisation d'outils mathématiques » plutôt que de « véracité d'une théorie physique ».

Applications potentielles : vers l'impression 3D de tissus, les réseaux urbains et de transport

RPI/Phys.org aborde également les applications potentielles. Si les principes de conception des bifurcations peuvent être compris, cela pourrait offrir des indices pour la conception de tissus imprimés en 3D avec des vaisseaux sanguins, ainsi que pour des infrastructures de transport, de tuyauterie et urbaines plus efficaces. La « connectivité » biologique est directement liée à la « connectivité » en ingénierie. Phys.org

Réactions sur les réseaux sociaux (tendances observées)

Actuellement, la diffusion de l'article oscille entre « surprise » et « prudence ».

• Les publications officielles mettent en avant la « surprise » que la géométrie de la théorie des cordes prédit les bifurcations
  Le compte officiel X de Phys.org souligne brièvement que les principes géométriques de la théorie des cordes peuvent prédire les bifurcations complexes des réseaux biologiques. X (anciennement Twitter)
  La publication LinkedIn de Phys.org met également en avant que cela peut être expliqué par la minimisation de surface tridimensionnelle plutôt que par l'optimisation unidimensionnelle. LinkedIn

• Dans les commentaires, des réactions instinctives au mot « théorie des cordes »
  Sur LinkedIn, certains commentaires dévient vers des sujets liés à la cosmologie (comme les multivers) souvent associés à la théorie des cordes, avec des objections au niveau de la « définition de l'univers ». Cela montre que l'objectif principal de la recherche (optimisation géométrique des réseaux biologiques) et l'image cosmologique de la théorie des cordes peuvent facilement se mélanger. LinkedIn

• Diffusion de type « partage pour le moment »
  Des publications individuelles présentant l'article via Newswise sont également visibles dans les recherches, montrant que le sujet circule pour son attrait. X (anciennement Twitter)

• La page principale de Phys.org n'a pas de commentaires immédiatement après la publication de l'article
  Au moins au moment de l'acquisition, il est indiqué « Load comments (0) », ce qui suggère que le débat pourrait se dérouler sur les réseaux sociaux. Phys.org