运输网络的流速控制组织对代谢物的均匀供应

高等生物的生命与功能依赖于持续向组织和器官供应代谢物。弥漫于组织中的运输网络要提供均匀的养分、矿物质或激素供应，需要满足哪些要求？为从理论层面回答这一问题，我们以植物木质部导管为例，通过分析流动动力学与网络结构如何控制代谢物的主动扩散与均匀供应，提出了一种解析标度论证和数值模拟。我们确定流体流入速率是实现均匀供应的关键因素。在低流入速率下，代谢物在靠近流入口处即已耗尽；而过高流入会将代谢物冲刷过网络，使靠近流入口的组织得不到供应。在这两种情形之间，存在一个最优流入速率可实现代谢物的均匀供应。我们通过解析方法确定了这一最优流入速率，与数值结果定量吻合。通过降低所有网络管道上的供应方差来优化网络结构，我们识别出管径扩张或收缩的模式，可补偿过低或过高流入速率情况下的次优供应。