Adaptation and Optimization of Biological Transport Networks

适应(眼睛) 计算机科学 统计物理学 拓扑(电路) 生物系统 物理 数学 生物 组合数学 光学
作者
Dan Huang,David Cai
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:111 (13) 被引量:111
标识
DOI:10.1103/physrevlett.111.138701
摘要

It has been hypothesized that topological structures of biological transport networks are consequences of energy optimization. Motivated by experimental observation, we propose that adaptation dynamics may underlie this optimization. In contrast to the global nature of optimization, our adaptation dynamics responds only to local information and can naturally incorporate fluctuations in flow distributions. The adaptation dynamics minimizes the global energy consumption to produce optimal networks, which may possess hierarchical loop structures in the presence of strong fluctuations in flow distribution. We further show that there may exist a new phase transition as there is a critical open probability of sinks, above which there are only trees for network structures whereas below which loops begin to emerge.

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