Поведение, физиология и выживание живых организмов обеспечиваются множеством биологических процессов, включающих коммуникацию между клетками и другими молекулярными компонентами. У них существуют разные способны обмена информацией, от обмена механическими волнами до электрической деполяризации. Специалисты из США провели недавно исследование, направленное на вычисление энергетической стоимости передачи информации между клетками.

В конце 90-х ученые из Йельского университета подсчитали, сколько энергии тратит нейрон, когда пересылает информацию. Оказалось, что гораздо больше, чем количество энергии, которое необходимо на то, чтобы стереть один бит информации.

«Некоторым образом мы хотели понять, является ли это примером биологического перерасхода средств? Или имеются другие статьи расхода?» — сказал Бенджамин Мачта, один из исследователей.

Дальнейшие исследования Мачты и его коллег, как пишет Phys.org, касались проблемы оптимизации этих энергетических расходов и поиска ответа на вопрос, почему коммуникация молекулярных систем требует разных физических систем. К примеру, обычно нейроны общаются электрическими сигналами, а другие клетки — распылением химических веществ.

Ученые хотели понять, какой режим оптимальный с точки зрения расхода энергии на один бит. Во всех вычислениях они рассматривали передачу информации через физический канал, в котором токи частиц и зарядов движутся согласно клеточной физике. Вдобавок, они исходили из того, что канал подвержен воздействию клеточной среды. Применение относительно простых моделей позволило всегда устанавливать более низкий предел необходимой энергии, которая нужна для переноса токов в биологической системе.

В целом, вычисления ученых подтвердили высокую энергетическую стоимость передачи информации между клетками. Их оценка может послужить отправной точкой в объяснении высокой стоимости обработки информации, которую фиксируют экспериментальные данные.

«Наше объяснение менее „фундаментальное“, чем принцип Ландауэра, в том смысле, что оно зависит от геометрии нейронов, ионных каналов и других нюансов, — пояснил Мачта. — Однако если биология обладает такими нюансами, то, возможно, потому, что нейроны эффективны и противодействуют реальным ограничениям информации/энергии, а не просто неэффективны. Этих вычислений точно недостаточно пока, чтобы сказать, что некая система эффективна, но они указывают, что пересылка информации через пространство может требовать больших энергетических затрат».

Также ученые составили диаграмму, иллюстрирующую, в каких ситуациях оптимально выборочное применение определенных стратегий коммуникации: передача электрических сигналов, химическое распыление и т. д. Она поможет лучше понять принципы сигнализации различных клеток. Например, почему нейрон использует химическое распыление для связи на уровне синапсов, но электрические сигналы для передачи информации на сотни микрон от дендритов в тело клетки.