动脉网络的功能优化

我们构建了一个进化情景，解释了哺乳动物动脉网络中的一些关键生理约束——即红细胞压积、血管直径和动脉压降——是如何被进化所选择的。我们提出，动脉网络在进化过程中受到其作为器官功能的约束。为支持这一假设，我们将研究聚焦于血液网络的主要功能之一：向器官供氧。我们考虑一个具有给定氧气需求的理想化器官，并在必须满足该器官氧气需求的约束下，优化血液网络的几何结构和红细胞压积。我们的模型考虑了血液的非牛顿行为、其维持成本以及 Fåhræus 效应（随着血管直径减小，红细胞平均浓度降低）。我们表明，树状血管中的平均剪切率（流体层的相对速度）遵循与树状网络多尺度特性相关的标度律，并且我们表明该标度律驱动了树状网络中最佳红细胞压积的行为。我们将此情景应用于生理数据，得出的结果与生理学完全兼容：我们发现最佳红细胞压积为 0.43，最佳直径减小比约为 0.79。此外，我们的结果表明，为了保持供氧最优，应调节动脉网络中的压降，这表明动脉压降的幅度可能与氧气需求共同进化。