Al het leven op aarde voert berekeningen uit - en voor alle berekeningen is energie nodig. Van eencellige amoeben tot meercellige organismen zoals mensen, een van de meest basale biologische berekeningen die in het hele leven gebruikelijk zijn, is vertaling:het verwerken van informatie uit een genoom en het schrijven daarvan in eiwitten.

Vertaling, het blijkt, is zeer efficiënt.

In een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Filosofische transacties van de Royal Society A , SFI-onderzoekers onderzoeken de thermodynamische efficiëntie van vertaling. Het werk maakt deel uit van een themanummer getiteld 'Re-conceptualizing the origins of life'.

Om te begrijpen hoe het leven op aarde is geëvolueerd, we moeten eerst de beperkingen begrijpen waarmee biologische systemen in de loop van de tijd te maken hebben gehad. Een beperking die niet op grote schaal is onderzocht, is hoe de wetten van de thermodynamica de biologische functie beperken, en of natuurlijke selectie gunstig is voor organismen met een hogere rekenefficiëntie.

Om te ontdekken hoe efficiënt vertalen is, de onderzoekers begonnen met Landauer's Bound. Dit is een principe van de thermodynamica dat de minimale hoeveelheid energie bepaalt die een fysiek proces nodig heeft om een ​​berekening uit te voeren.

"Wat we ontdekten is dat biologische translatie ongeveer 20 keer minder efficiënt is dan de absolute ondergrens, " zegt hoofdauteur Christopher Kempes, een SFI Omidyar Fellow. "En dat is ongeveer 100, 000 keer efficiënter dan een computer." DNA-replicatie, een andere basisberekening die in het hele leven voorkomt, is ongeveer 165 keer erger dan Landauer's Bound. "Dat is niet zo efficiënt als biologische vertaling, maar nog steeds verbluffend goed in vergelijking met computers."

Opschalen om de thermodynamische efficiëntie te berekenen van biologische berekeningen op een hoger niveau, zoals denken, en om te begrijpen hoe belangrijk efficiëntie is voor natuurlijke selectie, uitdagende vragen te stellen voor verder onderzoek.

"Uiteindelijk, we willen dit alles koppelen aan de informaticatheorie, " zegt professor David Wolpert, een co-auteur, "niet alleen om dit soort dingen te exploiteren voor de informatica, maar ook om te zien of de computerwetenschapstheorie ons iets over cellen kan vertellen."