Исследование оценивает энергетические затраты на обработку информации в биологических системах
Общение между клетками и другими молекулярными компонентами – один из бесчисленных биологических процессов, которые поддерживают поведение, физиологию и жизнь живых существ. Известно, что эти молекулярные компоненты могут взаимодействовать друг с другом посредством различных механизмов, таких как обмен механическими волнами или процессы диффузии и электрической деполяризации.
В новом исследовании ученых Йельского университета была предпринята попытка определить метаболические затраты на передачу информации между молекулярными компонентами и клетками. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, представляет собой новый инструмент, который может быть применен для изучения и понимания клеточных сетей.
Исследователи Бенджамин Б. Мачта и другие уже давно рассматривают эту идею в том или ином виде, как сообщил Мачта на Phys.org.
“Около десяти лет назад мы с моим научным руководителем Джимом Сетной обсуждали концепцию, которая в итоге превратилась в этот проект, но по разным причинам работа так и не сдвинулась с мертвой точки. Мы с Сэмом заговорили об этом, когда рассматривали способы осмысления энергетических затрат, которые биология должна нести для вычислений – эта тема проходит через многие его докторские работы – и, возможно, в более широком смысле, чтобы убедиться, что ее компоненты слаженны и находятся под контролем. Он придумал, как провести эти расчеты”.
Вдохновением для последнего исследования Махты и его коллеги Сэмюэля Дж. Брайанта послужили результаты прошлых работ, опубликованные в конце девяностых годов, в частности, Саймона Лафлина и его коллег. Эта группа исследователей пыталась выяснить опытным путем, сколько энергии тратят нейроны при передаче информации.
Согласно исследованиям Лафлина и его коллег, количество энергии, необходимое для удаления бита информации, значительно превышает “фундаментальное” ограничение ~ KBT/бит, также известное как ограничение Ландауэра, и варьируется в зависимости от обстоятельств, говорит Мачта, ремонт холодильного оборудования.
Нам стало любопытно, не является ли это примером расточительности биологии. Не исключено, что здесь были дополнительные расходы, которые необходимо было покрыть; например, предел Ландауэра не включает геометрию и другие особенности. Хотя это и не является главной темой данного обсуждения, применение ограничения Ландауэра само по себе тонко, потому что оно оплачивается только при удалении информации, что делает возможным обратимые вычисления, никогда ничего не удалять и не платить никаких вычислительных затрат.”
В своей последней работе Мачта и Брайант также пытались выяснить, может ли оптимизация этих энергетических затрат дать представление о причинах разнообразных физических процедур, которые молекулярные системы используют для взаимодействия друг с другом в различных условиях. Например, в то время как электрические импульсы являются обычным средством связи между нейронами, другие виды сообщений могут также передаваться с помощью химической диффузии.
“Наша цель состояла в том, чтобы определить оптимальный режим для каждого из этих (и других) режимов с точки зрения затрат энергии на бит”, – заявил Мачта. “Все наши вычисления учитывают данные, которые передаются по физическому каналу, от физического отправителя информации (например, ионного канала, который используется для “отправки” сигналов) к физическому приемнику (например, детектору напряжения в мембране, который также может быть ионным каналом). Скорость передачи информации по гауссовскому каналу рассчитывается с помощью метода из учебника, в основе которого лежит несколько новых поворотов.”
Во-первых, расчеты Мачты и его коллег всегда основываются на физическом канале, по которому перемещаются электрические заряды и токи реальных частиц в соответствии с физикой клетки. Во-вторых, группа уже давно считает, что тепловой шум в клеточной среде повреждает канал.
“Теорема о флуктуационной диссипации, которая связывает спектр тепловых флуктуаций с функциями отклика вблизи равновесия, позволяет нам рассчитать спектр этого шума”, – говорит Мачта.
Уникальность работы заключается в том, что расчеты команды проводились на очень простых моделях. Благодаря этому исследователи смогли последовательно установить осторожные ограничения на количество энергии, необходимой для управления физическими токами в биологической системе и питания канала.
Мачта заявил: “Мы часто рассчитываем стоимость с геометрическим префактором, удваивающим “КБТ/бит”, поскольку сигнал должен преодолеть тепловой шум.
“Размер передатчика и приемника можно рассматривать как этот геометрический элемент; более крупный отправитель может распределить рассеиваемый ток по большей области, что снижает стоимость одного бита. Кроме того, более крупный приемник позволяет усреднять данные по температурным колебаниям, что позволяет передавать ту же информацию при более слабом общем сигнале”.
Для электрической связи, например, мы получаем форму для стоимости одного бита, которая растет как r2/σI σO kBT/bit, где σI,σO – размеры отправителя и получателя, а r – их расстояние друг от друга. Важно отметить, что эта стоимость потенциально может быть на несколько порядков больше, чем kT/bit, которую более простые (или базовые) соображения предлагают в качестве нижней границы для ионных каналов шириной в несколько нанометров, но передающих информацию на микроны.”
В целом расчеты, проведенные Махтой и его коллегами, подтверждают значительные энергетические затраты, связанные с передачей информации между клетками. В итоге эти приближения могут послужить основой для объяснения высокой стоимости обработки информации, наблюдаемой в экспериментальных исследованиях.
Наше объяснение опирается на геометрию нейронов и ионных каналов, а также на другие детали, что делает его менее “фундаментальным”, чем объяснение Ландауэра, – заявил Мачта. Но если биология зависит от этих особенностей, то возможно, что нейроны, например, не просто неэффективны, а эффективны и сталкиваются с реальными энергетическими или информационными ограничениями”. Хотя этих расчетов ни в коем случае не достаточно, чтобы сделать вывод об эффективности той или иной системы, они указывают на то, что передача данных в космос может потребовать очень больших энергетических затрат”.
Эта последняя работа Махты и его коллег может дать представление о новых интересных биологических исследованиях в будущем. Исследователи также включили в свое исследование “фазовую диаграмму”, которая показывает сценарии, в которых лучше всего использовать определенные механизмы коммуникации (такие как химическая диффузия, электрические сигналы и т.д.) в щадящем режиме.
Вскоре этот график может помочь лучше понять основы различных методов передачи клеточных сигналов. Например, он может объяснить, почему бактерии кишечной палочки используют диффузию для передачи информации о своем химическом окружении, а нейроны используют химическую диффузию для связи в синапсах, но используют электрические сигналы при передаче информации на сотни микрон от дендритов к телу клетки.
Мачта продолжает: “Сейчас мы работаем над тем, чтобы применить эту схему для понимания энергетики конкретной системы передачи сигнала”.
“В реальных системах обычно существуют сети обработки информации; реализация нашего ограничения требует знания информационных потоков в этих сетях. В нашей предыдущей работе рассматривалась только абстрактная стоимость передачи информации между двумя изолированными компонентами. Применение наших вычислений к конкретным геометриям (например, к “сферическому” нейрону или аксону, напоминающему трубку – оба варианта значительно отличаются от бесконечной равнины, которую мы использовали здесь) создает дополнительные технологические проблемы для достижения этой цели.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
