理论框架可以改善生物系统的数据收集

为了有效地适应变化，生物体依赖于快速检测和处理周围环境中感官信息的能力。特定时间内可用的感官信息不断变化，这意味着通常只能在有限的时间内部分观察到这些信息。

洛桑联邦理工学院和马克斯普朗克复杂系统物理研究所的研究人员最近开展了一项理论研究，旨在阐明生物系统如何在消耗有限的能量的情况下将特定时间可获得的信息转化为有意义的结论。

他们的论文发表在《物理评论快报》上，指出最佳转导策略可以促进信息收集(即生物体从其环境中收集重要信息并利用这些信息指导其行为的过程)。

“生物体必须感知和处理来自外部世界的信息才能生存，但它们往往不能直接‘倾听’周围环境，”论文合著者乔治奥·尼科莱蒂告诉 Phys.org。“相反，它们需要依靠我们所谓的‘转导机制’来接收外部信号并将其传输到内部过程。”

“我们想了解这种机制如何很好地传达有关隐藏来源的信息，特别是在能量预算有限的情况下——这对生物系统来说是一个关键的限制。”

研究人员设计了一个新的理论框架，并将其专门应用于红细胞的研究。他们专注于这些细胞膜的潜在作用，膜是一种半透性屏障，已知有助于细胞的生存和功能。

“想想红细胞膜：在我们的框架中，它的作用是在细胞内部过程和外部世界之间传递信息，”尼科莱蒂说。“我们能否理解细胞可以选择的最佳转导策略是什么，以同时最大化信息并最小化能量耗散?”

Nicoletti 和 Daniel M. Busiello 的这项研究的主要目标是从理论上解释生物系统如何利用可用的信息来获取重要数据，从而以节能的方式指导其行动。在他们最近的论文中，他们特别使用他们的框架来描述红细胞中的传导过程，重点研究这些过程如何响应细胞的活动而发生变化。

“我们受到了红细胞内部细胞骨架、细胞膜和环境之间动态的几种模型的启发，”Nicoletti 解释道。“通过在一般环境中研究这些模型，我们利用信息论、随机过程理论和随机热力学的思想，从理论角度明确地描述信息和能量耗散。”

研究人员将他们的理论框架应用于《科学》杂志上发表的一项先前研究中收集的实验数据，该研究重点关注红细胞的闪烁。这种闪烁行为包括红细胞周围膜的微小自发运动。

Busiello 表示：“我们阐明了生物系统以节能的方式从周围环境中难以接近的变量中提取信息的关键一般机制。特别是，我们发现更高的耗散允许系统从隐藏的可观察变量中捕获更多信息，为精确定义系统处理信息的策略铺平了道路。”

Nicoletti 和 Busiello 最近发表的这篇论文介绍了一个有价值的框架，该框架可用于更好地理解与各种生物系统中的信息收集相关的过程。未来，他们的框架可以作为设计人造生物启发设备中最佳解码策略的定量工具。此外，它还有助于阐明如何在现实世界场景中实际实施传导策略。

“生物和生命系统通过一系列复杂的相互关联的过程运作。例如，蜜蜂通过信息素和翅膀运动的化学信号组合进行交流，不断消耗能量，”Busiello 补充道。“该领域的未来研究可能侧重于了解如何使用这些复杂的机制来收集信息并减轻甚至控制周围的噪音。”