观察叶子或蜻蜓翅膀上精细的分支图案，你会看到一个复杂的嵌套环路网络。这种模式可以在自然界和结构工程中随处可见：在大脑的脑血管系统中、地下真菌群中、觅食黏菌的复杂形状中以及埃菲尔铁塔的金属支架中。
环路结构，就像冗余的计算机网络或电网一样，使结构具有抗损伤能力。正如洛克菲勒大学的物理学家马塞洛·马格纳斯科指出的那样，埃菲尔铁塔是环路结构的典型例子，其设计旨在最大化应力在其递归框架上的分布。但是，尽管自然界中有许多环路设计的例子，但令人惊讶的是，人们对叶子和皮质血管中的网络为何如此组织知之甚少。
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“我们完全、令人厌恶地理解实体之间连接的物理原理，”马格纳斯科在谈到简单的循环系统时说道。“尽管如此，我们不理解整体模式。我们不知道它们为什么看起来是这样，也不知道为什么每棵树都不一样。”
埃菲尔铁塔包含许多嵌套的环路，旨在将应力分布在整个结构上。
图片：由《量子杂志》提供
在过去的几年里，马格纳斯科和其他人已经开始探索为什么这些模式在自然界中如此常见。对叶子和大脑血管系统的研究证实，嵌套环路提供了一种抗损伤的结构，可以有效地处理流体流量的波动。现在，科学家们开始量化这些网络的特性，深入了解它们的基本特征，例如韧性，并允许在网络之间进行更具信息的比较。
“植物是物理学家研究的绝佳系统，因为它们在数学上非常漂亮，”德国哥廷根的马克斯·普朗克动力学与自组织研究所的物理学家埃莱尼·卡蒂福里说道，她与马格纳斯科合作。她说，植物是迭代生长的，并且经常表现出类似晶体的图案，例如我们在松果和向日葵中看到的图案。“希望如果我们了解静脉的结构，我们将更好地掌握植物的光合作用效率。”
了解叶脉也可能有助于了解大脑表面复杂得多的血管网络，从而阐明大脑活动和血流之间的密切联系。这种关系虽然仍然知之甚少，但为功能性磁共振成像（当今使用最广泛的脑成像技术之一）提供了基础。
绘制这些网络可能会精确定位大脑中特别容易发生中风的部位，并且可以深入了解血流在阿尔茨海默病和其他认知问题中的作用。“你可以想象观察患病的大脑，并试图确定这些基本参数是否有任何不同，以及它如何与疾病的进展相关，”波士顿马萨诸塞州综合医院的物理学家大卫·博厄斯说道。
由于循环系统可以表示为连接管道的网络，并且具有控制流体流动的众所周知的方程式，因此物理学家可以相对容易地模拟像叶脉这样的简单网络。通过研究这些系统，马格纳斯科希望揭示静脉大小、它们连接的角度以及网络中不同尺度的结构是如何组合在一起的原因。
马格纳斯科说，分析容易可视化的网络的方法，然后可以应用于更难以建模的生物网络，例如相互作用的基因和蛋白质网络或大脑中的神经元网络。马格纳斯科说，叶子是“研究的好选择，因为其他网络的困难不存在”。
蜻蜓的翅膀也具有环路网络，这使它们具有抗损伤能力。
图片：马塞洛·马格纳斯科
构建一片叶子
在创建高效网络时，进化必须考虑两个因素：构建网络的成本和运营网络的成本。对于血管系统，这转化为制造静脉和通过静脉泵送流体的成本。运行成本最低的网络是一个简单的分支树结构，一些古老的植物采用了这种结构。虽然效率很高，但这种结构的弹性并不强。当链接损坏时，系统的某些部分会遭受液体流失并死亡。
为了尝试了解静脉结构的拓扑结构，卡蒂福里和马格纳斯科构建了一个简单的网络模型，试图捕捉其基本特征。他们将静脉（称为木质部）建模为具有不同流量和压力的管道网络。在给定有限数量的管道的情况下，他们询问，应该如何分配管道以最大程度地减少水压下降并使系统尽可能具有抗损伤能力？在现实世界中，“如果昆虫咬一口叶子，它仍然可以正常工作，”卡蒂福里说道。
他们发现，分层嵌套的环路结构（意味着环路内有环路，环路内又有环路）最能抵抗损伤。“环路使网络冗余，”卡蒂福里说。“如果你有损伤，水可以被重新导向其他通道。”该模型产生的结构，去年发表在PLoS ONE上，看起来非常像在某些叶子中发现的结构。
荧光流体流过受损叶子的引人注目的视频使研究人员能够量化水如何绕过损伤部位流动。银杏叶是一种进化上古老的植物，其结构是树状的而不是环状的，它没有表现出相同的弹性。
研究人员还发现，随着环境条件的变化，环路网络可以更好地处理流体流量的波动。
卡蒂福里和马格纳斯科现在正在模拟自适应环路网络，该网络会随着环境的变化而进化，并且可能在真菌、黏菌甚至动物发育中的血管系统中发挥作用。例如，黏菌会不断改变形状，伸出长长的手指，通常以环状网络的形式，寻找食物。在一个引人注目的实验中，日本研究人员在表面上长出了黏菌，表面上点缀着燕麦片，这些燕麦片的排列模仿了东京周围的城市。黏菌生长成一个类似于东京高效铁路系统的环状网络。
啮齿动物皮质表面的血管形成一个环路网络，即使在轻微损伤后，血液也能快速流向任何区域。
图片：巴勃罗·布林德和大卫·克莱因费尔德
绘制血管图
高效的血液流动是大脑功能的重要组成部分，大脑缺乏广泛的能量存储机制：带电神经元必须迅速补充。因此，大脑精确地调节血液流动，增加向目标区域的输送。“血液流动的这种微调发生在非常局部的水平上，可能远低于毫米范围，”苏黎世大学的神经科学家布鲁诺·韦伯说。
十多年前，加州大学圣地亚哥分校的物理学家和神经科学家大卫·克莱因费尔德及其合作者发现，他们可以监测啮齿动物大脑中单个毛细血管的血液流动。他们发现血液流动经常反转方向，这强烈表明血管网络形成了环路结构。“有一种预感，血管系统比我最初想象的更有趣，”克莱因费尔德说道。
几年前，克莱因费尔德的团队发现，大鼠体感皮层（当动物使用胡须在周围环境感知时活跃的大脑部分）中的表面血管系统以随机的一系列相互连接的环路排列。这种安排使血液能够从各个方向流向特定的位置，从而使该位置的神经元获得所需的燃料。“如果环路在二维晶格中随机连接，血液可以径向移动到带电的位置，”克莱因费尔德说道。
2010年，研究人员绘制了覆盖大鼠和小鼠新皮层表面的血管网络，即大脑皮层的外层。“我们预感它形成了一个网格，所以我们完全填充了血管并绘制了表面，”克莱因费尔德说道。“大部分血管都在环路结构中。”科学家们怀疑网络存在一定程度的冗余，但克莱因费尔德的团队提供了新的细节。“我们是第一个绘制整个地图并掌握拓扑结构的人——量化网络并使用它来计算流量，”克莱因费尔德说道。
研究人员使用该连接图来运行计算机模拟，模拟网络中的单个血管被阻塞时会发生什么。在模型和真实的大脑中，阻塞二维晶格中的血管几乎没有影响。血液只是通过其他血管流动。这一发现反映在临床实践中：从未在大脑表面检测到中风。“我们的推测是因为它是这样构建的，”克莱因费尔德说道。
然后，克莱因费尔德和合作者深入大脑，检查为体感皮层的神经元提供血液的血管网络。在7月份发表在《自然神经科学》杂志上的一篇论文中，研究人员表明毛细血管形成一个连续的网络。“这意味着微血管（毛细血管）彼此之间完全连接，”克莱因费尔德说。“没有孤立的血管区域，没有房地产术语中的封闭社区。”
恒河三角洲形成一个复杂的环状网络。
图片：谷歌地球
研究人员使用了一种称为图论的统计力学方法来了解顶点正好有三条边的网络形成血管的后果，这在实验室中先前已经观察到。（此处，“边”指的是血管。）克莱因费尔德的合作者、加州大学圣地亚哥分校的物理学家哈里·苏尔表明，这是一种特别稳健的结构。“这与每个顶点的边数不固定的图形成对比，就像互联网上发生的那样，”克莱因费尔德说。
与表面网络一样，阻塞毛细血管系统中的血液流动对更大的网络几乎没有影响——血液只是重新定向了自身。但是，阻塞穿透血管（从皮质表面深入大脑）会产生严重的后果。血液流动被阻塞，周围的脑组织死亡。穿透血管容易阻塞，因为它们不形成环路，但克莱因费尔德怀疑这种结构为将血液重新分配到大脑的特定部位提供了一种有效的方法。
这在临床上的意义尚不明确。神经科医生不会报告由穿透血管阻塞引起的卒中，但这主要是因为这些血管太小，无法用典型的脑成像设备观察到，而且单独来看不太可能引发症状。然而，荷兰乌得勒支大学医学中心的神经科医生 吉尔特·简·比塞尔斯表示，新的、更高功率的脑成像技术使得检测非常小的病变成为可能，尽管分辨率还达不到穿透血管本身的水平。他还补充说，来自脑部尸检的证据表明，这种微卒中“可能是死前几年认知能力下降和痴呆的重要标志”。
大脑中的环路
利用他们绘制大脑血管系统的新工具，克莱因费尔德的团队计划探索大脑循环系统在具有特定突变的啮齿动物中，或在其他物种中如何变化。“现在我们可以开始研究不同的血管系统，并了解为什么它们会以现在的方式构建，”克莱因费尔德说。
对缺乏氧气感应蛋白的小鼠进行的初步检查显示出结构发生了显著改变：与典型动物不同，突变小鼠缺乏大脑表面血管的二维晶格结构。“你所拥有的只是三维结构，”克莱因费尔德说。“它就像一个由小管道组成的鲁布·戈德堡机械。”
韦伯和克莱因费尔德目前正在合作一个项目，绘制小鼠大脑中完整的血管系统图，该项目由欧盟的人脑项目资助。韦伯说，该地图将能够建立更精确的模型，并为绘制整个大脑的更广泛目标提供有用的支架。它还将使研究人员能够研究诸如纹状体（参与运动计划）等易发卒中的大脑部分，是否会因为血管网络连接薄弱而变得脆弱。
研究人员也开始研究身体其他部位的循环网络。麻省总医院的生物学家兰斯·芒恩表示，大多数组织都具有显著的冗余，以环路的形式存在。“例如，在皮肤中，当发生损伤时，这些环路为流动提供了替代路径——流动可以‘绕过’以到达直接位于受损供应血管下游的组织，”他说。芒恩正在探索肿瘤中血管网络的特性，肿瘤会发展出广泛的血管网络来为不断增长的癌组织提供营养。（一类常见的抗癌药物，血管生成抑制剂，通过阻止新血管的形成来阻止肿瘤生长）。
克莱因费尔德现在正在使用为血管网络开发的工具来研究脑干中的神经网络，例如控制大鼠如何移动胡须和感知信息的感官运动环路。虽然“血管系统本身很有趣，”克莱因费尔德说，但它也部分充当了“神经系统的热身练习”。
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