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Energiekosten biologischer Systeme zur Informationsverarbeitung

25.09.2023

Das Verhalten, die Physiologie und die Lebensfähigkeit lebender Organismen hängen von einer Vielzahl biologischer Prozesse ab, einschließlich der Kommunikation zwischen Zellen und anderen molekularen Komponenten. Es gibt viele Möglichkeiten, Informationen in biologischen Systemen auszutauschen, einschließlich der Übertragung mechanischer Wellen und der elektrischen Depolarisation. Aktuelle in den USA durchgeführte Studien zielten darauf ab, die Energiekosten für die Übertragung von Informationen zwischen Zellen zu ermitteln.

Wissenschaftler der Yale University haben berechnet, wie viel Energie ein Neuron benötigt, um Informationen zu übertragen. Es stellte sich heraus, dass diese Menge deutlich größer ist als die Energie, die zum Löschen eines Informationsbits erforderlich ist.

„Wir wollten verstehen, ob dies ein Beispiel für biologische Wirksamkeit darstellt oder ob andere Kosten entstehen“, erklärt Benjamin Mast, einer der Forscher.

Weitere Forschungen von Mast und seinen Kollegen zielten darauf ab, die Energiekosten zu optimieren und zu verstehen, warum molekulare Systeme unterschiedliche physikalische Mechanismen zur Kommunikation nutzen. Beispielsweise nutzen Neuronen elektrische Signale, während andere Zellen Chemikalien austauschen.

Wissenschaftler versuchten, den optimalen Modus hinsichtlich der Energiekosten für die Übertragung eines Informationsbits zu bestimmen. Alle ihre Berechnungen basierten auf der Übertragung von Informationen über einen physikalischen Kanal, in dem sich Teilchen und Ladungen entsprechend der Zellphysik bewegen. Darüber hinaus berücksichtigten sie den Einfluss der zellulären Umgebung auf diesen Kanal. Durch die Verwendung relativ einfacher Modelle ist es möglich, die Energiekosten, die zur Übertragung von Strömen in einem biologischen System erforderlich sind, nach unten zu begrenzen.

Generell haben die Berechnungen der Wissenschaftler den hohen Energieaufwand für die Informationsübertragung zwischen Zellen bestätigt. Diese Schätzungen können als Ausgangspunkt für die Erklärung der hohen Informationsverarbeitungskosten dienen, die in experimentellen Daten erfasst werden.

Die Wissenschaftler entwickelten außerdem ein anschauliches Diagramm, das dabei hilft, zu verstehen, in welchen Situationen unterschiedliche Kommunikationsstrategien wie elektrische Signale und chemische Austauschprozesse am optimalsten sind. Dieses Diagramm kann dazu beitragen, die Prinzipien der Signalübertragung zwischen verschiedenen Zellen und Organen besser zu verstehen und auch zu erklären, warum Neuronen chemische Signale zur Kommunikation auf synaptischer Ebene und elektrische Signale zur Übertragung von Informationen über große Entfernungen von Dendriten zum Zellkörper verwenden.

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Die Existenz einer Entropieregel für die Quantenverschränkung wurde nachgewiesen 09.05.2024

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Mini-Klimaanlage Sony Reon Pocket 5 09.05.2024

Der Sommer ist eine Zeit der Entspannung und des Reisens, doch oft kann die Hitze diese Zeit zu einer unerträglichen Qual machen. Lernen Sie ein neues Produkt von Sony kennen – die Mini-Klimaanlage Reon Pocket 5, die verspricht, den Sommer für ihre Benutzer angenehmer zu gestalten. Sony hat ein einzigartiges Gerät vorgestellt – den Reon Pocket 5 Mini-Conditioner, der an heißen Tagen für Körperkühlung sorgt. Damit können Benutzer jederzeit und überall Kühle genießen, indem sie es einfach um den Hals tragen. Diese Mini-Klimaanlage ist mit einer automatischen Anpassung der Betriebsmodi sowie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren ausgestattet. Dank innovativer Technologien passt Reon Pocket 5 seinen Betrieb an die Aktivität des Benutzers und die Umgebungsbedingungen an. Benutzer können die Temperatur einfach über eine spezielle mobile App anpassen, die über Bluetooth verbunden ist. Darüber hinaus sind speziell entwickelte T-Shirts und Shorts erhältlich, an denen ein Mini-Conditioner angebracht werden kann. Das Gerät kann oh ... >>

Energie aus dem Weltraum für Raumschiff 08.05.2024

Mit dem Aufkommen neuer Technologien und der Entwicklung von Raumfahrtprogrammen wird die Erzeugung von Solarenergie im Weltraum immer machbarer. Der Leiter des Startups Virtus Solis teilte seine Vision mit, mit dem Raumschiff von SpaceX Orbitalkraftwerke zu bauen, die die Erde mit Strom versorgen können. Das Startup Virtus Solis hat ein ehrgeiziges Projekt zur Schaffung von Orbitalkraftwerken mit dem Starship von SpaceX vorgestellt. Diese Idee könnte den Bereich der Solarenergieerzeugung erheblich verändern und sie zugänglicher und kostengünstiger machen. Der Kern des Plans des Startups besteht darin, die Kosten für den Start von Satelliten ins All mithilfe von Starship zu senken. Es wird erwartet, dass dieser technologische Durchbruch die Solarenergieproduktion im Weltraum gegenüber herkömmlichen Energiequellen wettbewerbsfähiger machen wird. Virtual Solis plant den Bau großer Photovoltaikmodule im Orbit und nutzt Starship für die Lieferung der notwendigen Ausrüstung. Allerdings eine der größten Herausforderungen ... >>

Neue Methode zur Herstellung leistungsstarker Batterien 08.05.2024

Mit der Entwicklung der Technologie und dem zunehmenden Einsatz von Elektronik wird die Frage der Schaffung effizienter und sicherer Energiequellen immer dringlicher. Forscher der University of Queensland haben einen neuen Ansatz zur Herstellung von Hochleistungsbatterien auf Zinkbasis vorgestellt, der die Landschaft der Energiebranche verändern könnte. Eines der Hauptprobleme herkömmlicher wiederaufladbarer Batterien auf Wasserbasis war ihre niedrige Spannung, die ihren Einsatz in modernen Geräten einschränkte. Doch dank einer neuen, von Wissenschaftlern entwickelten Methode konnte dieser Nachteil erfolgreich überwunden werden. Im Rahmen ihrer Forschung wandten sich Wissenschaftler einer speziellen organischen Verbindung zu – Catechol. Es erwies sich als wichtige Komponente, die die Stabilität der Batterie verbessern und ihre Effizienz steigern kann. Dieser Ansatz hat zu einer deutlichen Spannungserhöhung der Zink-Ionen-Batterien geführt und sie damit wettbewerbsfähiger gemacht. Laut Wissenschaftlern haben solche Batterien mehrere Vorteile. Sie haben b ... >>

Alkoholgehalt von warmem Bier 07.05.2024

Bier, eines der häufigsten alkoholischen Getränke, hat einen ganz eigenen Geschmack, der sich je nach Temperatur des Konsums verändern kann. Eine neue Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams hat herausgefunden, dass die Biertemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks hat. Die vom Materialwissenschaftler Lei Jiang geleitete Studie ergab, dass Ethanol- und Wassermoleküle bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Arten von Clustern bilden, was sich auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks auswirkt. Bei niedrigen Temperaturen bilden sich eher pyramidenartige Cluster, wodurch die Schärfe des „Ethanol“-Geschmacks abnimmt und das Getränk weniger alkoholisch schmeckt. Im Gegenteil, mit steigender Temperatur werden die Cluster kettenförmiger, was zu einem ausgeprägteren alkoholischen Geschmack führt. Dies erklärt, warum sich der Geschmack einiger alkoholischer Getränke, wie z. B. Baijiu, je nach Temperatur ändern kann. Die Erkenntnisse eröffnen Getränkeherstellern neue Perspektiven, ... >>

Zufällige Neuigkeiten aus dem Archiv

Das vom Planeten reflektierte Licht zeigt seine Bewohnbarkeit 09.03.2012

Drei Astronomen aus Chile, Großbritannien und Spanien haben einen Weg gefunden, das Vorhandensein von Leben auf Exoplaneten zu bestimmen. Sie entdeckten diese Möglichkeit, indem sie das vom Mond reflektierte Licht der Erde beobachteten. Wissenschaftler haben nachgewiesen, dass selbst in dieser schwachen Reflexion starke Signale zu finden sind, die auf die hier ablaufenden biologischen Prozesse hinweisen.

Bis heute wurden 760 Exoplaneten entdeckt. Das Verlangen der Wissenschaftler, sie zu jagen, erklärt sich nicht nur aus rein wissenschaftlichem Interesse, sondern auch aus Versuchen, Lebensspuren zu finden, die aus dem von ihnen kommenden Licht "herausgezogen" werden können. Hier können spektroskopische Messungen viel liefern - nachdem wir beispielsweise molekularen Sauerstoff oder Methan in großen Mengen aus Absorptions- oder Emissionslinien nachgewiesen haben, können wir bereits von Lebenszeichen sprechen. Das Haupthindernis ist hier das Licht des Sterns selbst, es ist sehr schwierig, es von demselben Licht zu trennen, das vom Planeten reflektiert wird und viel schwächer ist. Diese Aufgabe ist schwierig, aber lösbar, und eine der Lösungen wurde von dem erwähnten Trio von Astronomen vorgeschlagen – Michael Sterzhik von der Europäischen Südsternwarte (Chile), Stefano Bangulo vom Armag Observatory (Großbritannien) und Enric Palle vom Institut für Astrophysik auf den Kanarischen Inseln. Tatsache ist, dass das reflektierte Licht immer polarisiert ist und das eigene Licht eines Sterns keine Polarisation hat. Aus diesem Grund gibt es ein spezielles optisches Verfahren namens Spektropolarimetrie, mit dessen Hilfe das Licht eines Sterns isoliert werden kann.

Das taten Wissenschaftler am Very Large Telescope (VLT) in Chile letztes Jahr zwei Tage lang, einen im April und einen im Juni, als das VLT den Mond beobachten sollte. Sie konzentrierten sich auf das 500-900-nm-Spektrum, das dem sichtbaren Licht und dem ihm am nächsten liegenden infraroten Teil entspricht. Der Mond reflektiert nachts hauptsächlich das Sonnenlicht, aber an beiden Tagen war die Polarisation sehr stark - etwa 10%. Durch die Untersuchung des polarisierten Teils des Lichts fanden die Wissenschaftler einen schmalen Peak bei 760 nm, was dem Vorhandensein von molekularem Sauerstoff entspricht, der nur während der pflanzlichen Photosynthese in großen Mengen freigesetzt wird. Eine weitere Signatur der Pflanze wurde am roten Ende des Spektrums bei einer Länge von etwa 700 nm hinterlassen - ein scharfer und tiefer Einbruch an dieser Stelle bedeutete das Vorhandensein einer großen Menge an Vegetation, die Sonnenlicht dieser Frequenz intensiv absorbiert. Das Vorhandensein von Vegetation auf einem Exoplaneten kann also auch von der Erde aus bestimmt werden.

Heute sind die Möglichkeiten der Spektropolarimetrie leider nur durch die Beobachtung von Gasriesen begrenzt, und selbst dann - dies wird erst in wenigen Jahren möglich sein, nachdem die leistungsstärksten bodengebundenen Teleskope entsprechend aufgerüstet sind. Die eigentliche Suche nach Leben auf Exoplaneten wird 2019 beginnen, wenn die NASA ein spezialisiertes Weltraumteleskop der New Worlds Mission starten wird, das mit allem ausgestattet ist, was für eine solche Forschung erforderlich ist.

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