Вчені оцінили енергетичні витрати біологічних систем на обробку інформації
Поведінка, фізіологія та виживання живих організмів забезпечуються безліччю біологічних процесів, що включають комунікацію між клітинами та іншими молекулярними компонентами. Вони існують різні здатні обміну інформацією, від обміну механічними хвилями до електричної деполяризації. Фахівці із США провели нещодавно дослідження, спрямоване на обчислення енергетичної вартості передачі між клітинами.
Наприкінці 90-х вчені з Єльського університету підрахували, скільки енергії витрачає нейрон, коли надсилає інформацію. Виявилося, що набагато більше, ніж кількість енергії, яка потрібна на те, щоб стерти один біт інформації. «Деяким чином ми хотіли зрозуміти, чи є це прикладом біологічного перевитрати коштів? Чи є інші статті витрати? — сказав Бенджамін Мачта, один із дослідників.
Подальші дослідження Щогли та його колег, як пише Phys.org, стосувалися проблеми оптимізації цих енергетичних витрат та пошуку відповіді на питання, чому комунікація молекулярних систем потребує різних фізичних систем. Наприклад, зазвичай нейрони спілкуються електричними сигналами, інші клітини — розпорошенням хімічних речовин.
Вчені хотіли зрозуміти, який режим оптимальний з погляду витрати енергії на один біт. У всіх обчисленнях вони розглядали передачу інформації через фізичний канал, в якому струми частинок та зарядів рухаються згідно з клітинною фізикою. Крім того, вони виходили з того, що канал схильний до впливу клітинного середовища. Застосування щодо простих моделей дозволило завжди встановлювати нижчу межу необхідної енергії, яка потрібна для перенесення струмів у біологічній системі.
Загалом обчислення вчених підтвердили високу енергетичну вартість передачі інформації між клітинами. Їх оцінка може бути відправною точкою в поясненні високої вартості обробки інформації, яку фіксують експериментальні дані.
«Наше пояснення менш „фундаментальне“, ніж принцип Ландауера, у тому сенсі, що воно залежить від геометрії нейронів, іонних каналів та інших нюансів, – пояснив Мачта. — Однак якщо біологія має такі нюанси, то, можливо, тому, що нейрони ефективні та протидіють реальним обмеженням інформації/енергії, а не просто неефективні. Цих обчислень недостатньо поки що, щоб сказати, що якась система ефективна, але вони вказують, що пересилання інформації через простір може вимагати великих енергетичних витрат».
Також вчені склали діаграму, що ілюструє, у яких ситуаціях оптимально вибіркове застосування певних стратегій комунікації: передача електричних сигналів, хімічне розпилення тощо. буд. Вона допоможе краще зрозуміти принципи сигналізації різних клітин. Наприклад, чому нейрон використовує хімічне розпилення для зв'язку на рівні синапсів, але електричні сигнали передачі інформації на сотні мікрон від дендритів в тіло клітини.
Вчені з Університету Монаша створили DishBrain — напівбіологічний комп'ютерний чіп, в електроди якого інтегровано 800 000 клітин мозку людини та миші, вирощених у лабораторних умовах. Демонструючи деякі ознаки розумності, він навчився грати у Pong за п'ять хвилин.