Живые клетки оказались сверхэффективными вычислителями

Ученые определили, сколько энергии живая материя тратит на различные вычисления. Оказалось, что эта цифра в 100 000 раз меньше, чем у современных компьютеров, и всего в 20 раз больше теоретического нижнего предела. Статья с результатами работы опубликована в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society A.

Если понимать термин «вычисления» как «преобразование информации», то все биологические системы проводят вычисления. Внутри любой формы жизни, от одноклеточных амеб до человека, происходит трансляция — процесс превращения закодированной в геноме информации в белки. В новой работе ученые из Института Санта-Фе оценили термодинамическую эффективность процесса трансляции. Оказалось, что во время нее энергии тратится на много порядков меньше, чем у современных компьютеров.

Вопросом об эффективности вычислений в биологии ученые заинтересовались в контексте происхождения жизни. Термодинамические ограничения на биологические функции исследованы плохо. Также неясно, есть ли у организмов с более оптимальными вычислениями существенное преимущество в процессе естественного отбора. Авторы новой работы начали со сравнения биологической обработки информации с принципом Ландауэра, который ставит теоретическое ограничение на минимальную энергию, необходимую для обработки одного бита. Она зависит от температуры и для комнатной составляет крошечную величину 2,7×10 ⁻²¹ Дж.

«Мы обнаружили, что эффективность биологической трансляции всего в 20 раз меньше, чем абсолютное физическое предельное значение, — говорит ведущий автор работы Кристофер Кемпес. — Это примерно в 100 000 раз более эффективно, чем компьютер». Репликация ДНК, еще один общий для биологии вычислительный процесс, оказался в 165 раз менее эффективным, чем допустимо по принципу Ландауэра.

В дальнейшем авторы хотят вычислить энергетическую эффективность более сложных процессов, таких как мысли. «В конечном итоге мы хотим объединить все это с теорией компьютерных вычислений, — говорит соавтор работы Дэвид Уолперт. — Это интересно сделать не только с точки зрения возможного использования подобной эффективности в случае компьютеров, но и чтобы выяснить, может ли теория компьютерных вычислений рассказать что-нибудь о клетках».