感官适应中信息处理的热力学代价

生物感官系统会对周围环境的变化做出反应，其特征是对不同环境线索的快速响应和缓慢适应。鉴于感官适应系统将环境变化映射为其内部自由度的变化，它们可被视为操纵信息的计算装置。Landauer 确立了信息本质上是物理的，其操纵受制于热力学的熵限和能限。因此，通过追踪系统关于环境的信息如何改变，可以阐明生物感官适应的基本代价。这些界限对于小型生物体尤为重要，因为它们不像日常计算机那样在极低能量下运行。在本文中，我们建立了感官中信息处理热力学的通用框架。利用该框架，我们量化了在感官适应过程中关于过去的信息如何被擦除，而关于现在的信息如何被收集。此过程产生的熵大于被擦除的旧信息量，且具有一个由写入记忆的新信息量所界定的能量代价。我们将这些原理应用于大肠杆菌（E. coli）趋化通路在二元配体浓度变化期间的情形。在该机制下，我们量化了每个甲基基团存储的信息量，并表明受体消耗的能量处于信息论最小值的范围内。我们的工作为进一步研究更复杂的现象（如梯度感应和频率响应）奠定了基础。