当人们设计交通系统时，他们通常会试图找到一个最佳点，即在尽可能快地将人们送达最终目的地的同时，最大限度地降低基础设施建设成本。这可能并不总是奏效（今年夏天正在发生的纽约市地铁的困境就是一个典型例子），但事实证明，植物也采取了类似的方法。
一项今天发表在《Cell Systems》杂志上的研究，调查了植物如何平衡成本和性能，以发展出其复杂、分支的结构。但研究人员并非完全依赖生物学方法，而是借鉴了一个意想不到的领域——计算机工程。
“我们在工程中考虑的许多问题——例如高效、稳健且低成本的网络和结构——也是进化过程中面临的问题，”该研究的资深作者、索尔克生物学研究所的助理教授Saket Navlakha说。“解决这些基本的工程问题，能让生物体有机会生存并适应现实世界。”
Navlakha和他的同事们在正常生长条件和修改后的条件下（例如遮荫、高温、增加光照和干旱）种植了三种不同类型的植物（番茄、烟草和高粱）。
然后，他们使用一种3D激光扫描仪对植物进行了成像，该扫描仪的工作原理有点像反向的3D打印机：它会生成一个保留原始物体所有三维信息的数字图像，并且没有背景噪声。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。
他们总共对505个植物结构进行了表征，并将其分析为网络，即点和边的集合。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及其同事能够像城市规划师研究交通系统一样，将植物结构分析为连接点之间的传输网络。人们从一个站点到另一个站点。水和养分从植物的根部输送到叶子进行光合作用。
将生物体视为无生命的机器可能听起来很奇怪，但这正在成为一个日益发展的领域。“计算机生物学是新兴的前沿领域，”宾夕法尼亚州立大学植物科学系教授Jonathan Lynch说，他并未参与此项研究。
根据团队的研究结果，这一切都取决于权衡取舍。
Navlakha主要关注两个参数：所有分支的总长度以及养分到达叶子所需的距离。为了实现高效，植物不应花费过多的资源来形成分支——但养分也1定不能花费太长时间才能到达其现有路线的末端。他的团队发现，随着时间的推移，植物会生长成一种模式，使其能够尽可能地最小化这两个参数。但这需要妥协；毕竟，直接分支到叶子可能会缩短养分需要传输的距离，但会增加植物的“管道系统”的总长度。
这种平衡行为几乎完美地对应了所谓的帕累托曲线，即在优化两个变量时“最佳情况”。即使在不同的条件下，植物也仍然接近这些最佳结果。即使在干旱、炎热或黑暗中，植物仍然尽最大可能地试图最小化总长度和传输距离。它们为了维持平衡，必须在两者之间进行选择和调整优先级。
“所有植物都在朝着这两个目标的最佳权衡前进，”Navlakha说。“它们选择的方式可能取决于它们所处的条件或环境。”
唯一例外的情况是，当团队将植物暴露在比平时更多的光线下时。在这些条件下形成的树枝结构似乎并不是最有效的选择。尽管该论文只关注总长度和传输距离，但作者也承认可能存在其他因素在起作用，这可以解释在增加光照下出现的差异。
Navlakha认为，这些新的发现可以帮助指导基因工程改良作物的研究，以提高产量。如果修改一个基因会影响植物优化其分支生长的能力，这可能会损害其生存机会。
他还希望这种合作关系能够反转：除了植物生物学家向计算机科学学习之外，计算机科学家也可以向生物学学习。优化问题——就像植物在生长过程中每天面临的权衡一样——有助于工程师设计能够用有限计算能力应对复杂障碍的系统。
“我们也很有兴趣看看在设计这些算法时，是否能从植物那里获得新的策略，”Navlakha说。
这并非自然和人造网络首次相互呼应：多项研究发现，如果将燕麦片按照主要城市的模式排列，粘菌会生长成看起来就像连接它们的铁路系统的形态——有时，它甚至能找到更好的路线。
也许一些植物的生长方式能给纽约市的地铁系统上一课。
