关键词：复杂无序系统，拓扑图谱，拓扑距离



论文标题：Topological packing statistics of living and nonliving matter
论文来源：Science Advances
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1261

复杂无序物质在广泛的学科中具有重要意义，从生物学中的细菌群落和胚胎组织到材料科学中的泡沫和颗粒介质，再到天体物理学中的恒星构型。由于这些迥然不同的系统在组成和尺度上存在巨大差异，因此比较这些不同系统间的结构特征具有挑战性。

文章通过使用Delaunay三角剖分的统计特性，引入一种数学框架，用于测量一般三维点云之间的拓扑距离，由此产生的与系统无关的度量标准揭示了细菌生物膜之间以及斑马鱼脑区域之间微妙的结构差异，并恢复了胚胎发育的时间顺序。

图1 拓扑扩散距离通过仅仅使用局部拓扑信息就能区分原核多细胞群落。

作者应用这一度量标准构建了一个通用的拓扑图谱，包括细菌生物膜、雪花酵母、植物嫩枝、斑马鱼脑组织、器官样体和胚胎组织，以及泡沫、胶体填充、玻璃材料和天体配置。

图2 拓扑统计学方法能够区分静态和动态的真核生物结构。

生命系统定位在图谱的一个有界岛屿状区域内，反映了生物生长机制导致的特征拓扑属性。

图3 结合拓扑图谱展示了生物和非生物系统之间的拓扑变化。

研究说明拓扑度量框架如何用于分析和比较跨足微生物学到天体物理学尺度的各种三维无序系统，随着未来几年内越来越多的高分辨率三维成像数据变得可用，它们可以通过这项工作提供的在线平台添加到拓扑图谱中。


编译｜董佳欣


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