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:

Кислотность океана разрушает зубы акул 03.10.2025

Мировые океаны выполняют важнейшую функцию - они поглощают около трети углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Это помогает замедлять темпы глобального потепления, но имеет и обратную сторону. Растворяясь в воде, CO2 образует угольную кислоту, которая повышает концентрацию водородных ионов и приводит к снижению pH. Вода становится более кислой, а последствия этого процесса уже заметны для морских экосистем. Средний показатель кислотности океана сейчас равен примерно 8,1, тогда как еще недавно за условную норму брали значение 8,2. По прогнозам, к 2300 году уровень может упасть до 7,3 - это сделает океан почти в десять раз кислее нынешнего состояния. Для обитателей морей подобные изменения означают не просто сдвиг химического равновесия, а реальную угрозу физиологическим процессам, начиная от формирования раковин у моллюсков и заканчивая охотничьим поведением акул. Чтобы выяснить, как именно кислотная среда отражается на зубах акул, группа немецких исследователей провела эксп ...>>

Почтовый космический корабль Arc 03.10.2025

Космические технологии становятся частью инфраструктуры, способной повлиять на логистику, медицину и даже военную сферу. Идея использовать орбиту как глобальный склад для срочных поставок звучала еще недавно как научная фантастика, но стартап Inversion пытается превратить ее в практическое решение. Компания Inversion появилась в начале 2021 года благодаря Джастину Фиаскетти и Остину Бриггсу, которые на тот момент были студентами Бостонского университета. Их замысел состоял в том, чтобы сделать возможной доставку грузов не только через спутниковые сети данных, но и в буквальном смысле - физических предметов. В основе лежит простая мысль: если космос обеспечивает доступ к любой точке Земли, то и грузы должны перемещаться тем же маршрутом. Уже за три года работы команда из 25 специалистов успела построить демонстрационный аппарат "Ray". Его запуск состоялся в рамках миссии SpaceX Transporter-12. Устройство весом 90 килограммов проверяло ключевые технологии Inversion, включая двухком ...>>

Лазерное обогащение урана 02.10.2025

Ядерная энергия остается одним из ключевых источников стабильного электричества, особенно для стран с растущими потребностями в энергоснабжении. Однако обеспечение бесперебойных поставок топлива для атомных станций требует современных технологий обогащения урана, которые одновременно эффективны и безопасны. Американская компания Global Laser Enrichment (GLE) делает значительный шаг в этом направлении, завершив масштабное тестирование лазерной технологии обогащения урана. Демонстрационная программа была проведена на объекте в Уилмингтоне, Северная Каролина. Тестирование технологии SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation), разработанной австралийской Silex Systems, стартовало в мае 2025 года и продлится до конца года. В ходе экспериментов компания планирует получить сотни фунтов низкообогащенного урана (LEU), который может быть использован в качестве топлива для атомных электростанций. GLE была создана в 2007 году для коммерциализации лазерных методов обогащения урана в С ...>>

Безлинзовая ИК-система 02.10.2025

Инфракрасные технологии занимают особое место в науке и технике. Они позволяют заглянуть туда, где человеческий глаз бессилен, - в темноту, сквозь дымку или туман, на значительные расстояния. Однако развитие этой области сдерживают дорогие и капризные камеры, требующие охлаждения и сложного обслуживания. Китайские исследователи предложили неожиданный выход: создание безлинзовой системы, которая превращает невидимое инфракрасное излучение в четкие изображения с помощью оптики нового поколения. В основе этой разработки лежит древняя идея "изображения через отверстие", о которой еще в IV веке до нашей эры писал философ Мо-цзы. Современные ученые пошли дальше и вместо физической дырочки сформировали оптическое отверстие прямо в нелинейном кристалле, используя сверхкороткие лазерные импульсы. Такое решение позволяет преобразовывать инфракрасное излучение в видимый свет, который без труда фиксируется обычными кремниевыми сенсорами. Руководитель проекта профессор Хэпинг Цзэн подчеркивае ...>>

Жара вызывает агрессию 01.10.2025

Животный мир чутко реагирует на изменения температуры, и в последние годы ученые все чаще обращают внимание на то, как жара влияет не только на физиологию, но и на поведение живых существ. Рост глобальных температур способен не только изменять экосистемы, но и формировать новые социальные модели у животных. Одним из тревожных проявлений оказывается рост агрессивности, который наблюдается у самых разных видов. В лаборатории Университета Юга в Сьюани, штат Теннеси, экологи наблюдали за чернобрюхими саламандрами Desmognathus amphileucus. Эти небольшие амфибии, обитающие в ручьях Аппалачей, продемонстрировали ярко выраженное территориальное поведение: они пытались кусать соперников и заставлять их покидать занятую территорию. Интересно, что у близкородственных видов - саламандры Окои и тритона - подобных реакций не зафиксировали. Это подчеркивает избирательность явления и его связь с особенностями конкретных организмов. Сходные результаты были получены и в экспериментах с другими вид ...>>

Случайная новость из Архива Микроводоросли - источник Омега-3 15.07.2020 Микроводоросли могут стать альтернативным источником полезных для здоровья Омега-3 жирных кислот. Кроме того процесс их выращивания более экологичен, чем популярных видов рыб. К таким результатам пришли немецкие ученые из университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU). Микроводоросли давно оказались в центре внимания исследований - сначала их изучали в качестве сырья как альтернативного вида топлива, а в последнее время - как источник питательных веществ для человека. В основном микроводоросли выращивают в открытых водоемах Азии. Также некоторые виды водорослей куда легче культивировать в закрытых системах, так называемых фотобиореакторах. Ученые сравнили углеродный след от питательных веществ микроводорослей и рыбы, а также проанализировали, насколько оба источника пищи повышают подкисление и эвтрофикацию в водоемах. Исследования показали, что выращивание микроводорослей оказывает такое же влияние на окружающую среду, как и рыбы. Однако, одно из преимуществ выращивания водорослей - это малое потребление земли и использование даже бесплодные почвы. В то время, открытые пруды и выращивание кормов для аквакультуры требуют больших массивов земли. В частности, популярные в Германии рыбы лосось и пангасиус в основном выращиваются в аквакультуре, что сильно сказывается на окружающей среде. Микроводоросли не смогут и полностью не заменят рыбу в качестве основного источника пищи. Но если микроводоросли начать употреблять, то это стал бы еще один дополнительный и экологически чистый источник жирных кислот Омега-3. Некоторые водоросли уже используются в качестве пищевой добавки в форме порошка, таблеток или в виде готовых продуктов: макарон или злаков. Употребление микроводорослей покрыло бы недостаток Омега-3 жирных кислот и одновременно облегчило бы среду в мировом океане.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2025