Энергетические затраты биологических систем на обработку информации

25.09.2023

Поведение, физиология и жизнеспособность живых организмов зависят от множества биологических процессов, включая коммуникацию между клетками и другими молекулярными компонентами. Существует множество способов обмена информацией в биологических системах, включая передачу механических волн и электрическую деполяризацию. Недавние исследования, проведенные в США, были направлены на определение энергетических затрат при передаче информации между клетками.

Ученые из Йельского университета вычислили количество энергии, которое требуется нейрону для передачи информации. Оказалось, что это количество существенно больше, чем энергия, необходимая для стирания одного бита информации.

"Мы хотели понять, представляет ли собой это пример биологической эффективности или есть другие затраты", - пояснил Бенджамин Мачта, один из исследователей.

Дальнейшие исследования Мачты и его коллег были направлены на оптимизацию энергетических затрат и понимание, почему молекулярные системы используют разные физические механизмы для коммуникации. Например, нейроны используют электрические сигналы, в то время как другие клетки обмениваются химическими веществами.

Ученые стремились определить оптимальный режим с точки зрения энергетических затрат на передачу одного бита информации. Все их расчеты основывались на передаче информации через физический канал, в котором частицы и заряды двигаются согласно клеточной физике. Кроме того, они учитывали воздействие клеточной среды на этот канал. Применение относительно простых моделей позволило установить более низкий предел энергетических затрат, необходимых для передачи токов в биологической системе.

В общем, расчеты ученых подтвердили высокие энергетические затраты на передачу информации между клетками. Эти оценки могут служить отправной точкой для объяснения высокой стоимости обработки информации, которая фиксируется в экспериментальных данных.

Ученые также разработали иллюстрирующую диаграмму, которая помогает понять, в каких ситуациях наиболее оптимальны различные стратегии коммуникации, такие как передача электрических сигналов и химическое обменные процессы. Эта диаграмма может способствовать лучшему пониманию принципов сигнализации между разными клетками и органами, а также объяснить, почему нейроны используют химические сигналы для связи на синаптическом уровне, а электрические сигналы для передачи информации на длинные расстояния от дендритов к клеточному телу.

<< Назад: Рой крошечных кораблей для исследования космоса 25.09.2023

>> Вперед: Установлен рекорд разгона электромобиля 24.09.2023

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Наушники Neurable One с мониторингом концентрации и усталости мозга 10.10.2026

Современные наушники постепенно превращаются из обычного аудиоустройства в персональный электронный помощник. Они уже умеют подавлять окружающий шум, анализировать качество звука и отслеживать некоторые параметры физического состояния человека. Американская компания Neurable пошла еще дальше и предложила использовать наушники для оценки активности мозга, чтобы определить, насколько человек сосредоточен, испытывает умственное напряжение или начинает уставать. Новая модель получила название Neurable One и оснащена 12 датчиками, способными регистрировать электрическую активность мозга. В основе технологии лежит электроэнцефалография, или EEG, применяемая для фиксации электрических сигналов, возникающих при работе нервной системы. Датчики размещены во внутренних накладках наушников и начинают получать информацию сразу после того, как пользователь надевает устройство. Затем специальное приложение анализирует полученные данные и оценивает текущее состояние человека. Разработчики предус ...>>

Климатический кризис меняет питание детей и влияет на их здоровье 09.10.2026

Когда говорят о влиянии климатических изменений на здоровье человека, чаще всего вспоминают экстремальную жару, наводнения, засухи или лесные пожары. Однако последствия глобального потепления могут проявляться гораздо менее заметно. Один из таких механизмов связан с продовольствием: изменения климата способны влиять на урожайность, стоимость продуктов и их доступность, а через это - на качество питания детей. Особое значение эта проблема приобретает в первые годы жизни. Дети в возрасте до пяти лет особенно чувствительны к недостатку необходимых питательных веществ, поскольку именно в этот период питание и окружающая среда тесно связаны с ростом организма, развитием и формированием иммунной системы. Если полноценная пища становится менее доступной, последствия могут проявляться не сразу, но отражаться на здоровье ребенка в дальнейшем. Бразильские исследователи попытались определить, где подобные проблемы могут пересекаться с климатическими факторами. Для этого специалисты разработ ...>>

Случайная новость из Архива Самолет на литиево-полимерных аккумуляторах 12.09.2008 Французские инженеры испытали в полете одноместный самолет "Электра", работающий на литиево-полимерных аккумуляторах, таких же, как в мобильных телефонах. Вес аккумуляторов 47 килограммов. Самолет с размахом крыльев 9 метров держался в воздухе 48 минут.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026