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:

Восприятие музыки зависит от цвета концертного зала 03.03.2026

Восприятие живой музыки традиционно связывают с слухом, однако на впечатления от концерта влияют и другие факторы, включая визуальное оформление и освещение. Вопрос о том, может ли цвет интерьера напрямую изменять то, как мы слышим звук, долго оставался открытым. Недавнее исследование ученых из Технического университета Берлина проливает свет на эту связь и демонстрирует, что визуальная среда способна влиять на субъективное восприятие музыки. Чтобы изучить эффект цвета, исследователи предложили участникам прослушать записи концерта в виртуальных залах, оформленных в красные, зеленые и синие оттенки. Цвета варьировались по яркости и насыщенности, что дало 12 различных вариантов оформления. Поскольку построить физические залы с таким разнообразием цветов было невозможно, использовалась технология виртуальной реальности. Звук воспроизводился через наушники с бинауральной технологией, адаптирующей звучание к движениям головы, что создавало ощущение реального присутствия в зале. Участ ...>>

Chrysalis: концепт межзвездного корабля для 400-летнего путешествия 03.03.2026

Межзвездные полеты остаются одной из самых амбициозных целей человечества. Международный научный проект Chrysalis предложил концепцию космического корабля, способного совершить 400-летнее путешествие с экипажем из 2400 человек. Победивший в конкурсе 2025 года дизайн демонстрирует не только инженерные решения, но и социальную архитектуру, рассчитанную на 16 поколений людей, живущих на борту. В основе концепции лежит вращательная конструкция длиной 58 километров. Такая масштабная система должна создать искусственную гравитацию, достаточную для нормального функционирования организма, без вызывающей дезориентацию центробежной нагрузки. Для стабилизации конструкции проект предусматривает несколько цилиндров, вращающихся в противоположных направлениях, что минимизирует колебания и вибрации. Сборка корабля планируется в точках Лагранжа - участках космоса, где можно минимизировать расход топлива. Движение корабля предполагается обеспечить прямым термоядерным двигателем на гелии-3 и дейте ...>>

Дети, растущие рядом с природой, обретают крепкие кости 02.03.2026

Влияние окружающей среды на здоровье человека становится все более очевидным, особенно в детском возрасте. Новое исследование, опубликованное в журнале JAMA Network Open, показывает, что близость к природе напрямую связана с крепостью костей у детей. Ученые установили, что у детей, чьи дома окружены природными территориями в радиусе 1000 метров на 25% больше обычного, риск развития крайне низкой плотности костей снижается на 65%. Для проведения исследования были проанализированы данные более 300 детей, проживающих в городских, пригородных и сельских районах Фландрии в Бельгии. Плотность костной ткани у детей в возрасте от четырех до шести лет оценивалась с помощью ультразвуковых методов. Такой подход позволил безопасно и точно измерить состояние костей на ранних этапах формирования скелета. При анализе учитывались ключевые факторы, влияющие на рост и развитие детей: возраст, вес, рост, этническая принадлежность и уровень образования матери. На основании этих параметров исследоват ...>>

Самовосстанавливающаяся инфраструктура будущего 02.03.2026

Современные мосты и бетонные конструкции по всему миру сталкиваются с проблемой устаревания и износа. Многие сооружения, построенные до 1980-х годов, постепенно теряют свою несущую способность, что требует дорогого ремонта или полной замены. Недавние разработки ученых из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Empa) предлагают инновационное решение - систему укрепления бетонных конструкций с помощью "умной стали", способной самостоятельно устранять трещины и повреждения. В основе новой технологии лежит арматура из сплава на основе железа с эффектом памяти формы (Fe-SMA). Этот материал обладает уникальным свойством: при нагревании до 190-200 °C стержни стремятся вернуться к своей первоначальной конфигурации. В бетонной конструкции это создает внутреннее напряжение, которое затягивает трещины и выравнивает деформированные элементы, существенно повышая прочность и долговечность сооружений. Актуальность разработки объясняется критическим состоянием инфрастр ...>>

Поцелуи полезны для здоровья 01.03.2026

Вопрос о том, как социальные связи и близость с партнером отражаются на здоровье человека, привлекает внимание не только психологов, но и специалистов в области микробиологии. Новое исследование показывает, что совместное проживание с любимым человеком может оказывать значительное влияние на микробиом кишечника и общее самочувствие. Доктор Наоми Миддлтон, клинический психологи и эксперт по здоровью кишечника, объяснила, что все аспекты совместной жизни - поцелуи, совместное питание, физическая близость и даже просто пребывание рядом - тесно связаны с поддержанием сбалансированной кишечной микрофлоры. Она подчеркивает, что здоровье экосистемы кишечника во многом определяется социальными взаимодействиями и повседневной близостью с другими людьми. По словам Миддлтон, длительное совместное пребывание с партнером может способствовать увеличению микробного разнообразия в кишечнике, а также снижать воспалительные процессы, связанные со стрессом. Такой эффект обусловлен тем, что микробио ...>>

Случайная новость из Архива Android ТВ-приставка Zero Devices Z6C 02.01.2014 Компания Zero Devices подготовила к выпуску новую приставку Z6C на операционной системе Android, позволяющую превратить обычный телевизор в "умную" панель с доступом в Интернет. В устройстве применён процессор Rockchip RK3188 с четырьмя вычислительными ядрами на архитектуре ARM Cortex-A9 и интегрированным графическим контроллером. Объём оперативной памяти составляет 2 Гбайт; для хранения данных служит встроенный флеш-модуль ёмкостью 8 Гбайт с возможностью расширения за счёт сменных карт формата microSD. Приставка наделена тремя портами USB и разъёмом microUSB. Это позволяет подключать внешние устройства хранения данных, а также различную периферию - скажем, проводные клавиатуру и мышь. Zero Devices Z6C может быть подключена к Интернету через Ethernet-сеть или беспроводное соединение Wi-Fi (поддерживается стандарт 802.11n). Есть контроллер Bluetooth 4.0 и инфракрасный порт для пульта дистанционного управления. Кроме того, упомянуты интерфейсы HDMI, SPDIF и гнездо для наушников. На приставку будет изначально инсталлироваться новейшая операционная система Android 4.4.2 KitKat. В комплект поставки войдёт игровой манипулятор.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2026