西红柿和地铁系统可能有一些共同之处

当人们设计交通系统时，他们通常试图找到一个最佳点，让人们尽快到达目的地，同时尽量减少建设基础设施的成本。这可能并不总是有效（今年夏天纽约地铁的惨败就是一个典型的例子），但事实证明，植物也采取了类似的方法。

今天发表在《细胞系统》上的一项研究调查了植物如何平衡成本和性能以发展其复杂的分枝结构。但研究人员并没有使用纯生物学方法，而是从一个意想不到的领域——计算机工程中汲取了灵感。

“我们在工程学中考虑的很多问题，例如高效、稳健且低成本的网络和结构，在进化过程中也面临这些问题，”这项研究的资深作者、索尔克生物科学研究所助理教授 Saket Navlakha 说道。“解决这些基本的工程问题让生物体有机会生存并适应现实世界。”

Navlakha 和他的同事在正常生长条件和阴凉、高温、增加光照和干旱等改良条件下种植了三种不同类型的植物（番茄、烟草和高粱）。

然后，他们用 3D 激光扫描仪对植物进行成像，该扫描仪的工作原理类似于反向 3D 打印机：它创建的数字图像保留了原始物品的所有三维空间，没有任何背景噪音。Navlakha 说，这比拍照更好，因为你可以获得更丰富的细节，比如叶子的厚度。

总的来说，他们描述了 505 种植物结构，并将其分析为网络或点和边的集合。例如，植物的基部是一个点，每个分支是一条边，每片叶子是另一个点。这使得 Navlakha 和他的同事能够以城市规划者研究交通系统的方式分析植物的结构：将其作为在点之间运送物品的连接网络。人们从一个车站前往另一个车站。水和养分从植物的根部流向叶子进行光合作用。

把生物想象成无生命的机器似乎有些奇怪，但这是一个正在发展的领域。“计算机生物学是一个新兴的前沿领域，”宾夕法尼亚州立大学植物科学系教授乔纳森·林奇 (Jonathan Lynch) 表示，他没有参与这项研究。

根据研究团队的研究结果，这一切都关乎权衡。

Navlakha 关注两个主要参数：所有枝条的总长度以及营养物质到达叶子所需的距离。植物要想高效生长，就不应该将过多的资源用于形成枝条，但资源到达现有路线的末端也不应该花费太长时间。他的团队发现，随着时间的推移，植物会以某种模式生长，使它们能够尽可能地最小化这两个参数。但这需要妥协；毕竟，枝条直接通向叶子可能会缩短资源必须运输的距离，但会增加植物管道系统的总长度。

这种平衡行为几乎完美地符合所谓的帕累托曲线，即当你试图优化两个变量时的“最佳情况”。即使植物受到不同的条件影响，它们仍然会接近这些最佳结果。即使在干旱、炎热或黑暗的情况下，植物仍然会尽可能地缩短总长度和行进距离。为了保持平衡，它们优先考虑的因素必须发生变化。

“所有植物都在努力实现这两个目标之间的最佳平衡，”Navlakha 说道。“它们选择的方式可能取决于它们所处的条件或环境。”

唯一的例外是当研究小组将植物暴露在比平时更多的光照下时。在这些条件下形成的枝条结构似乎不是最有效的选择。尽管这篇论文只关注总长度和行进距离，但作者承认其他因素也可能起作用，这可以解释在光照增加的情况下出现的差异。

Navlakha 认为这些新发现可能有助于指导农作物基因组改造以提高产量。如果修改基因影响植物引导分枝最佳生长的能力，则可能会损害其存活的机会。

他还希望这种合作关系可以反过来：不是植物生物学家向计算机科学学习，而是计算机科学家向生物学学习。优化问题（如植物在生长过程中每天面临的权衡）可以帮助工程师设计出能够用有限的计算能力解决复杂障碍的系统。

Navlakha 表示：“我们还想知道植物是否有新的策略可以用于设计这些算法。”

这并不是自然和人造网络第一次互相映衬：多个研究小组发现，如果将燕麦片按照大城市的图案放置，黏菌就会以与连接它们的铁路系统一模一样的形状生长——有时，它会找到更好的路线。

也许一些树叶可以向纽约市地铁系统展示它是如何运作的。