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Red de flujo activo

Una red de flujo activo es un gráfico con bordes y nodos, donde las partículas dentro de este gráfico son impulsadas por un mecanismo activo. [1] [2] Este tipo de red se utiliza para estudiar el movimiento de moléculas en un medio biológico. Algunos ejemplos son los orgánulos , incluido el retículo endoplásmico (RE). [3] El mecanismo del flujo entre nodos es impulsado activamente, a diferencia del transporte pasivo por difusión. [4] El transporte activo requiere el consumo de energía, que se encuentra en forma de ATP en los sistemas biológicos. El moho mucilaginoso Physarum polycephalum también está creciendo como una red [5] , donde el movimiento en el interior es impulsado por un flujo activo.

Red de flujo activo en el transporte.

El transporte unidireccional recuerda a los trenes, los automóviles o las comunicaciones (Internet, teléfono), donde existe una capacidad limitada debido a la cantidad máxima de mercancías que pueden viajar dentro de un ramal que conecta dos nodos. [6]

Redes de flujo activas en el cuerpo.

Las arterias y las venas generan una red donde el flujo sanguíneo es impulsado por el ciclo de contracción del corazón. El flujo a menudo se modela utilizando mecánica de fluidos compleja ( ecuaciones de Navier-Stokes ) que podrían acoplarse a la estructura. [7] [8] Los glóbulos rojos también se transportan dentro de estas redes [9] y la resistencia a la alta presión podría deberse en parte al atasco en el tráfico de glóbulos rojos , pero también a los capilares (las mayores caídas de presión ocurren en los vasos más pequeños), especialmente en el cerebro. [10] [11] El flujo sanguíneo es un proceso activo modulado aún más por la actividad neuronal . [12]

Redes de flujo activo en electrónica.

En electrónica, los diodos o resistencias forman una red que consume energía eléctrica. La teoría basada en la teoría matemática de grafos y la teoría de la velocidad de reacción fisicoquímica se utilizan para cuantificar redes de flujo activo que conservan la masa. [1] Las redes de diodos también se han introducido en problemas de percolación mediante la construcción de sitios de celosía vecinos que transmiten conectividad o información en una sola dirección [13] [14]

Propiedades de las redes de flujo activo dentro del retículo endoplásmico.

Las redes de flujo activas dentro del retículo endoplasmático están representadas por un gráfico (G,N), con N nodos conectados por uniones. Dos escalas de tiempo conducen a dos propiedades opuestas, ya que el borde puede cambiar en un momento aleatorio de una sola dirección a la opuesta: 1-el tiempo para que un borde cambie de la dirección a la opuesta y 2-el tiempo para moverse de un borde al otro. el proximo. Esto conduce a dos fenómenos:

Captura
una partícula ya estaba en el nodo y un borde cambia un número par de veces entre el instante de las transiciones, o la partícula estaba previamente en el nodo y había cambiado a un nodo vecino antes de regresar al nodo considerado.
Retroceder
una partícula puede volver al nodo del que procede, perdiendo así tiempo visitando de nuevo el nodo anterior. Sin embargo, en la red, esta probabilidad se ve afectada por la dirección del borde.

Bajo estos dos efectos (trampa y retroceso), la exploración de la red es más lenta en comparación con una red unidireccional, donde tal situación no ocurre. [15] Los modelos AFN se pueden utilizar para interpretar [ se necesita aclaración ] datos extraídos mediante recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueo , trayectorias de partículas individuales o fotoactivación .

Referencias

  1. ^ ab Selección de ciclo estocástico en redes de flujo activo Francis G. Woodhouse, Aden Forrow, Joanna B. Fawcett, Jörn Dunkel Actas de la Academia Nacional de Ciencias julio de 2016, 113 (29) 8200-8205; DOI: 10.1073/pnas.1603351113
  2. ^ Mauro., Garavello (2006). Flujo de tráfico en las redes. Instituto Americano de Ciencias Matemáticas. ISBN 1-60133-000-6. OCLC  255485562.
  3. ^ Voeltz, Gia K; Rollos, Melissa M; Rapoport, Tom A (1 de octubre de 2002). "Organización estructural del retículo endoplásmico". Informes EMBO . 3 (10): 944–950. doi : 10.1093/embo-reports/kvf202. ISSN  1469-221X. PMC 1307613 . PMID  12370207. 
  4. ^ Lamberson, PJ (14 de abril de 2016). Bramoullé, Yann; Galeotti, Andrea; Rogers, Brian W (eds.). "Difusión en Redes". El manual de Oxford de economía de redes . págs. 478–503. doi : 10.1093/oxfordhb/9780199948277.013.11. ISBN 978-0-19-994827-7. Consultado el 13 de agosto de 2021 .
  5. ^ Alim, Karen; Amselem, Gabriel; Peaudecerf, François; Brenner, Michael P.; Pringle, Anne (13 de agosto de 2013). "La peristalsis de red aleatoria en Physarum polycephalum organiza los flujos de fluidos a través de un individuo". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . 110 (33): 13306–13311. Código bibliográfico : 2013PNAS..11013306A. doi : 10.1073/pnas.1305049110 . PMC 3746869 . PMID  23898203. 
  6. ^ "Gestión activa del tráfico: enfoques: transporte activo y gestión de la demanda - Operaciones de FHWA". ops.fhwa.dot.gov . Consultado el 13 de agosto de 2021 .
  7. ^ R. Guibert, C. Fonta y F. Plourabouffe, Un nuevo enfoque para modelar flujos de suspensiones confinadas en redes complejas: aplicación al flujo sanguíneo", Transporte en medios porosos, vol. 83, no. 1, págs. 171 {194, 2010.
  8. ^ N. Bessonov, A. Sequeira, S. Simakov, Y. Vassilevskii y V. Volpert, \Métodos de modelado del flujo sanguíneo, "Modelado matemático de fenómenos naturales, vol. 11, n.º 1, págs. 1{25, 2016.
  9. ^ AR Pries, TW Secomb, P. Gaehtgens y J. Gross, Flujo sanguíneo en redes microvasculares. experimentos y simulación." Circulation research, vol. 67, no. 4, pp. 826{ 834, 1990.
  10. ^ G. Hartung, C. Vesel, R. Morley, A. Alaraj, J. Sled, D. Kleinfeld y A. Linninger, Las simulaciones de sangre en forma de suspensión predicen un hematocrito dependiente de la profundidad en la circulación a lo largo de la corteza cerebral. Biología computacional PLoS, vol. 14, no 11, p.
  11. ^ IG Gould, P. Tsai, D. Kleinfeld y A. Linninger, El lecho capilar ofrece la mayor resistencia hemodinámica al suministro de sangre cortical", Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, vol. 37, no. 1, págs. 52{68, 2017.
  12. ^ P. Blinder, PS Tsai, JP Kaufhold, PM Knutsen, H. Suhl y D. Kleinfeld, \El angioma cortical: una red vascular interconectada con patrones de flujo sanguíneo no columnares, "Nature neuroscience, vol. 16, no. 7 , pág.889, 2013.
  13. ^ S. Redner, Revista de Física A: Matemática y General 14, L349 (1981).
  14. ^ SR Broadbent y JM Hammersley, en Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, vol. 53 (Cambridge University Press, 1957) págs.
  15. ^ M. Dora D. Holcman, La red de flujo activo genera transporte molecular por paquetes: caso del retículo endoplásmico, Proceeding Royal Soc B, Londres 2020