更新时间：作者：小小条
一个世纪以来，生物学家和数学家都在为同一个问题挠头：为什么神经元、血管和树枝会长成现在这副模样？
主流观点一直认为，大自然是一位精打细算的建筑师，总是试图用最少的材料构建出最高效的运输网络。
然而，当科学家试图用传统的数学模型——比如将这些结构简化为一维的线条——来模拟这一过程时，预测结果却总是一败涂地。
真实的生物网络远比那些简单的线框图要复杂、优雅得多。
如今，来自伦斯勒理工学院（RPI）的研究团队在《自然》杂志上抛出了一枚重磅炸弹，他们找到了那把丢失的钥匙，而它竟然藏在一个几乎无人意料到的地方：弦理论。
这项研究不仅首次成功将这一旨在解释宇宙基本结构的物理理论应用于描述真实的生物结构，更揭示了生命演化背后深藏的几何智慧。
过去一百年里，科学界对生物网络的误解，很大程度上源于一种视角的局限。
自然界的物理网络是连续的三维物体，就像这里展示的小型数学模型一样。研究人员发现，生命系统中的物理网络遵循着源自弦理论（一种理论物理框架）的规则。图片来源：孟祥义/伦斯勒理工学院
为了简化计算，研究人员*惯将血管或树枝看作是连接两个点的细线，就像地铁线路图上的线条一样。
但伦斯勒理工学院的物理学家孟祥义博士指出了其中的谬误：自然界的网络不是抽象的线条，它们是实实在在的三维物体。
血管有管壁，树枝有树皮，它们必须在三维空间中平滑地连接，维持表面的连续性。
这就好比你不能只考虑怎么画一条线连接两个点，还要考虑如何用泥土捏出一根管子，让它在分叉处不会断裂或扭曲。
一旦将视角从一维的“长度最小化”转换到三维的“表面积最小化”，旧有的数学工具就显得捉襟见肘了。
这时候，弦理论登场了。
上世纪80年代，物理学家为了描述高维空间中振动的“弦”，开发出了一套复杂的数学工具来计算“极小曲面”。
这原本是为了统一量子力学和引力而设计的抽象框架，却意外地成为了描述生物形态的完美语言。
孟祥义和他的同事发现，利用弦理论中的方程，可以精准地预测生物网络如何通过调整形态来最大限度地减少构建自身所需的物质成本。
这种跨界的数学巧合暗示着，无论是在微观的量子世界，还是在宏观的生物世界，宇宙遵循着某种统一的几何极简原则。
物理网络流形。图片来源：Nature（2026）。DOI：10.1038/s41586-025-09784-4
传统的优化理论往往预测生物网络应该呈现简单的“二分叉”结构，即一根管子分成两根，就像字母“Y”一样。
但任何一个在森林里仔细观察过树木的人都知道，自然界充满了更复杂的三岔甚至四岔路口。
弦理论模型完美地解释了这一点，在追求表面积最小化的过程中，高阶的分裂在几何上是完全合理的，甚至是必须的。
更令人惊叹的是，该理论成功预测了一种被称为“正交芽”的特殊结构。
这些细小的、垂直生长并突然终止的分支，在旧理论中被视为毫无意义的浪费，但在弦理论的视角下，它们是网络构建的必然副产品。
事实证明，这些“副产品”在生物学上至关重要。
在人类大脑中，98%的这类垂直芽最终成为了突触，也就是神经元之间传递信息的关键节点。
这种几何上的“必然性”赋予了神经元以极少的物质成本建立复杂连接的能力。
同样，植物的根系和真菌的菌丝也利用这种垂直萌发的策略，更高效地探索土壤，汲取水分和养分。
可以说，弦理论不仅画出了生物网络的形状，还意外地解释了它们功能的物理基础。
为了验证这一理论的普适性，研究团队进行了一场跨越物种的大考。
他们收集了人类和果蝇的神经元、人类血管、热带树木、珊瑚以及拟南芥等六种截然不同的生物网络的高分辨率三维扫描数据。
结果令人信服：无论是在显微镜下的细胞层面，还是在宏观的生态层面，这些网络的分支模式都惊人地符合弦理论的预测。
这并不意味着生物学可以完全被物理学取代，现实中的生物网络受到环境压力和生理功能的制约，其实际长度往往比理论的绝对最小值多出约25%。
但这恰恰反映了生命在遵循物理铁律的同时，也在为生存保留必要的冗余和弹性。
伦斯勒理工学院物理系主任乔治·科尔尼斯博士认为，这是一个理论物理的抽象工具解决现实世界难题的绝佳范例。
它证明了进化并不是在一个混乱的画板上随意涂鸦，而是沿着物理学划定的几何轨道在前行。
这项发现的应用前景令人兴奋，工程师们或许可以据此设计出更高效的人造网络，比如拥有完美仿生血管的3D打印组织，或者更优化的城市供水和交通系统。
但其科学哲学层面上的意义或许更为深远：当我们仰望星空思考宇宙的琴弦时，同样的旋律其实正在我们体内的血管和神经中回响。
生命之树的枝繁叶茂，原来早在宇宙诞生的那一刻，就被写进了几何学的法典之中。
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