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Jul 01, 2023

점액 곰팡이는 도쿄 철도 시스템처럼 네트워크를 성장시킵니다

Laura Sanders, Science News 재능 있고 헌신적인 엔지니어들은 수많은 시간을 투자했습니다.

로라 샌더스, 사이언스 뉴스

재능 있고 헌신적인 엔지니어들은 세계에서 가장 효율적인 철도 시스템 중 하나가 되도록 일본의 철도 시스템을 설계하는 데 수많은 시간을 보냈습니다. 방금 점액 곰팡이에게 물어봤을 수도 있습니다.

도쿄 주변의 일본 도시 패턴으로 배열된 귀리 플레이크를 제시하면 뇌가 없는 단세포 점액 곰팡이가 일본 철도 시스템의 레이아웃과 매우 유사한 영양분 통로 네트워크를 구축한다고 일본과 영국의 연구자들이 1월에 보고했습니다. 과학 22. 점균류의 행동에 대한 간단한 규칙을 기반으로 한 새로운 모델은 보다 효율적이고 적응 가능한 네트워크의 설계로 이어질 수 있다고 팀은 주장합니다.

매일 도쿄 주변의 철도망은 대중교통의 수요를 충족해야 하며 수백만 명의 사람들을 먼 지점 사이에 빠르고 안정적으로 수송해야 한다고 연구 공동저자인 옥스퍼드 대학의 Mark Fricker는 지적합니다. "반면 점균류에는 중앙 두뇌가 없거나 해결하려는 전반적인 문제에 대한 인식이 없지만 실제 철도 네트워크와 유사한 특성을 가진 구조를 생성하는 데 성공했습니다."

노란색 점균류 Physarum polycephalum은 육안으로 볼 수 있을 만큼 큰 단일 세포로 자랍니다. 공간적으로 분리된 수많은 먹이원을 만나면 점균류 세포는 먹이를 둘러싸고 터널을 만들어 영양분을 분배합니다. 실험에서 일본 삿포로에 있는 홋카이도 대학의 나카가키 토시유키가 이끄는 연구원들은 도쿄 주변에 도시가 흩어져 있는 방식을 모방한 패턴으로 귀리 플레이크(점균류 진미)를 놓은 다음 점균류를 풀어 놓았습니다.

처음에는 점균류가 귀리 플레이크 주위에 고르게 분산되어 새로운 영역을 탐색했습니다. 그러나 몇 시간 내에 점액 곰팡이는 패턴을 다듬기 시작하여 귀리 플레이크 사이의 터널을 강화하는 한편 다른 연결 고리는 점차 사라졌습니다. 약 하루가 지난 후, 점균류는 상호 연결된 영양분 운반 튜브 네트워크를 구축했습니다. 그 디자인은 중앙에 위치한 귀리를 연결하는 강력하고 탄력 있는 터널이 더 많다는 점에서 도쿄 주변의 철도 시스템과 거의 동일해 보였습니다. Fricker는 “두 시스템 사이에는 상당한 수준의 중복이 존재합니다.”라고 말했습니다.

그런 다음 연구자들은 점균류의 행동에서 간단한 특성을 빌려 네트워크 형성에 대한 생물학에서 영감을 받은 수학적 설명을 만들었습니다. 점액 곰팡이와 마찬가지로 모델은 먼저 어디든 갈 수 있는 미세한 메쉬 네트워크를 만든 다음 가장 많은 화물을 운반하는 튜브가 더욱 견고해지고 중복되는 튜브가 정리되도록 네트워크를 지속적으로 개선합니다.

변형체의 행동은 "말로 포착하기가 정말 어렵다"고 독일 마그데부르크에 있는 Otto von Guericke 대학의 생화학자 Wolfgang Marwan은 말했습니다. "당신은 그들이 어떻게든 스스로를 최적화한다는 것을 알지만, 그것을 어떻게 설명합니까?" 새로운 연구는 "복잡한 생물학적 현상에 대한 간단한 수학적 모델을 제공한다"고 Marwan은 Science 지 같은 호에 실린 기사에서 썼습니다.

Fricker는 이러한 가단성 시스템이 화재나 홍수에 대한 조기 경고를 제공하는 단거리 무선 센서 시스템과 같이 시간이 지남에 따라 변경해야 하는 네트워크를 만드는 데 유용할 수 있다고 지적합니다. 재해가 발생하면 이러한 센서가 파괴되므로 네트워크는 정보를 효율적으로 신속하게 다시 라우팅해야 합니다. Fricker는 분산되고 적응 가능한 네트워크가 전장의 군인이나 위험한 환경을 탐험하는 로봇 떼에게도 중요할 것이라고 말했습니다.

새로운 모델은 또한 연구자들이 혈관이 종양을 지탱하기 위해 어떻게 성장하는지와 같은 생물학적 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있다고 Fricker는 말합니다. 종양의 혈관 네트워크는 조밀하고 구조화되지 않은 엉킴으로 시작하여 연결을 더욱 효율적으로 개선합니다.

이미지: 과학/AAAS

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