Ученые раскрыли секрет, как живые организмы извлекают информацию из шума

Учёные из Лозаннского федерального политехнического института (EPFL) и Института физики сложных систем Макса Планка представили новую модель , объясняющую, как живые организмы извлекают информацию из шумных сред. Исследование фокусируется на том, как бактерии, клетки и другие формы жизни используют минимальные ресурсы для точного считывания окружающей информации, несмотря на воздействие шума и ограниченные энергетические возможности.

Живые организмы, такие как бактерии, обладают уникальной способностью точно улавливать изменения в окружающей среде, например, химические градиенты, чтобы находить более питательные зоны. Подобные процессы происходят и на клеточном уровне, когда клетки собирают информацию для формирования стабильных структур, несмотря на постоянные колебания окружающих факторов.

Авторы исследования подчёркивают, что точность в биологических системах требует затрат энергии, и чем выше точность, тем больше энергии тратится. Эта концепция широко известна в стохастической термодинамике. Живые системы сталкиваются с необходимостью нахождения баланса между максимальной точностью и минимальными энергетическими затратами.

Основной вклад работы заключается в создании модели, в которой описывается механизм трансдукции (процесс передачи сигнала), включающий несколько уровней взаимодействий. Учёные использовали инструменты информационной теории и стохастической термодинамики для количественной оценки того, как системы собирают информацию из окружающей среды. Они обнаружили, что правильная настройка взаимодействий между элементами системы позволяет оптимизировать сбор информации даже при ограниченных энергетических ресурсах и условиях конечного времени наблюдения.

Интересным примером применения этой модели является исследование динамики и термодинамики мембран эритроцитов. Ранее считалось, что их "мигание" связано с тепловыми флуктуациями, но современные данные указывают на иной механизм, находящийся вне состояния термодинамического равновесия. Учёные выяснили, что с увеличением активности цитоскелета мембрана эритроцитов способна собирать больше информации о внутренней динамике клетки, что подтверждает предложенную модель.

Исследование также открывает перспективы для изучения более сложных биологических процессов, таких как механизмы обратной связи и адаптации, которые позволяют живым системам адаптироваться к изменениям окружающей среды.