Энергетические затраты
на обработку информации
в биологических системах.
Чтобы клетка оставалась живой, разные её части должны иметь возможность обмениваться сигналами. При этом их передача потребляет энергию, запас которой в каждой клетке ограничен. Мало того, многие биологически важные взаимодействия требуют исключительной своевременности связей между элементами системы, на обеспечение которой, по идее, живой организм должен выделять дополнительные ресурсы и силы.
Осознавая это и принимая во внимание проблемы энергоэффективности наших сегодняшних технологий, учёные из Йельского университета провели исследование на предмет расчёта энергетической «стоимости» передачи информации между клетками и молекулярными компонентами. Если удастся разобраться в этом вопросе, возможно ‒ не в таком уж далёком будущем ‒ наши информационно-вычислительные решения выйдут на новый уровень. Это касается не только компьютеров и «умных» гаджетов, но, в основном, разработки новых устройств носимой и биоэлектроники.
«Мы уже некоторое время думаем об этом проекте в той или иной форме, ‒ рассказывает автор работы, доцент физики Бенджамин Б. Макта. ‒ Я впервые обсуждал идеи, которые в конечном итоге превратились в этот проект, с моим научным руководителем Джимом Сетной [профессор физики из университета Корнелла] около десяти лет назад, но по разным причинам эта работа так и не получила широкого распространения. Мы с Сэмом [Сэмюэль Дж. Брайант, биофизик, соавтор исследования] начали говорить об этом, когда размышляли о том, как понять энергетические затраты, которые биология должна потратить на вычисления (тема большей части его докторской работы) и, возможно, в более широком смысле, на обеспечение согласованности и контроля её частей, и он придумал, как выполнять эти вычисления».
Учёные вознамерились определить, может ли оптимизация энергозатрат прояснить причины использования разных физических механизмов в различных ситуациях. Например, хотя нейроны «беседуют» обычно посредством электрических сигналов, другие типы их «разговоров» могут строиться на диффузии химических веществ.
Дело в том, что с энергетической точки зрения живой организм представляет собой неравновесную систему, прямо зависимую от постоянного обмена энергией со средой. При этом, в отличие от неживых неравновесных систем вроде ураганов и пожаров, чтобы выжить, клетки должны уметь как отправлять, так и получать информацию, которая может касаться важнейших для жизнедеятельности показателей ‒ будь то внутреннее состояние или внешнее окружение. Вследствие этого, кстати, некоторые учёные полагают, что мы можем рассматривать само наличие переплетающихся потоков энергии и информации как основополагающий признак живой материи.
Для осуществления задуманного, во-первых, потребовалось рассматривать физический канал передачи физических частиц и электрических зарядов в соответствии с физикой самой клетки; а во-вторых, принять за исходное условие, что этот канал подвержен тепловому шуму клеточной среды. Эти нюансы выгодно отличают проведённую работу от предшествующих ей исследований, на которые, тем не менее, её авторы опирались при построении своего метода. Собственно, благодаря старту с изучения трудов 30-тилетней давности, в итоговой статье, вышедшей в журнале Physical Review Letters, команда и представила новый инструмент для изучения и лучшего понимания клеточных систем.
В статье учёные показали также некую «фазовую диаграмму», раскрывающую особенные ситуации, для которых выборочное использование конкретных коммуникационных стратегий является оптимальным ‒ будь то сообщение посредством электричества, химической диффузии или других методов. Рассматривая отправляемый сигнал как смесь колеблющихся волн, Брайант и Макта вывели для каждого способа его приёма-передачи свою формулу минимально необходимых энергозатрат. Причём соотношение учитываемых в уравнениях частоты и масштаба отмечает расстояние, за пределами которого энергетические затраты на отправку бита становятся непомерно высокими.
В будущем эта работа может стать основой для новых интересных и весьма перспективных исследований ‒ не только биологических, но и инженерных. Однако пока это не может называться универсальным решением. Как говорят авторы, метод, скорее, представляет собой новый инструмент для понимания компромиссов в работе клеточной сети. Таким образом, хоть исследование и позволяет делать довольно детальные прогнозы, его результаты отмечают, скорее, начало этой научной эпопеи, чем не её конец.
По материалам АРМК.