Учените изчислиха енергийните разходи на биологичните системи за обработка на информацията

Поведението, физиологията и оцеляването на живите организми се обуславят от множество биологични процеси, включващи комуникация между клетките и другите молекулярни компоненти. Те имат различни начини за обмен на информация – от обмен на механични вълни до електрическа деполяризация. Експерти от САЩ наскоро проведоха проучване, целящо да изчисли енергийните разходи за пренос на информация между клетките.

В края на 90-те години учени от Йейлския университет изчислиха колко енергия изразходва един неврон, когато предава информация. Оказа се, че това е много повече от количеството енергия, необходимо за изтриването на един бит информация.

„Искахме по някакъв начин да разберем дали това е пример за биологична свръхконсумация? Или има и други източници на разходи?“ – казва Бенджамин Маст, един от изследователите.

По-нататъшните изследвания на Маст и колегите му, както пише Phys.org, са насочени към проблема за оптимизиране на тези енергийни разходи и намиране на отговор на въпроса защо комуникацията на молекулярните системи изисква различни физически системи. Невроните например обикновено комуникират чрез електрически сигнали, докато другите клетки комуникират чрез разпръскване на химически вещества.

Учените са искали да разберат кой режим е по-оптимален от гледна точка на консумацията на енергия за един бит. При всички изчисления те са разглеждали преноса на информация по физически канал, в който токовете и зарядите на частиците се движат в съответствие с клетъчната физика. Освен това те приели, че каналът се влияе от клетъчната среда. Използването на сравнително прости модели даде възможност за определяне на долната граница на необходимата енергия, необходима за преноса на токовете в биологична система.

Като цяло изчисленията на учените потвърждават високата енергийна цена на преноса на информация между клетките. Тяхната оценка може да послужи като отправна точка за обяснение на високата цена на обработката на информацията, която експерименталните данни показват.

„Нашето обяснение е по-малко „фундаментално“ от принципа на Ландауер, в смисъл че зависи от геометрията на невроните, йонните канали и други нюанси“, обяснява Маст. „Въпреки това, ако в биологията има такива нюанси, това може да се дължи на факта, че невроните са ефективни и противодействат на реалните ограничения на информацията/енергията, а не са просто неефективни. Тези изчисления определено все още не са достатъчни, за да кажем, че дадена система е ефективна, но те показват, че преносът на информация през пространството може да бъде енергоемък“.

Учените са изготвили и диаграма, илюстрираща в кои ситуации селективното прилагане на определени комуникационни стратегии е оптимално: преносът на електрически сигнали, химическото разпръскване и др. Тя ще помогне за по-доброто разбиране на принципите на комуникация на различните клетки. Например защо един неврон използва химическо разпръскване, за да комуникира на ниво синапс, но електрически сигнали, за да предава информация на стотиците микрони от дендритите до тялото на клетката.