Информация. Информационные потоки в живых системах
Информация. Информационные потоки в живых системах - Лекция, раздел Физика, РАЗДЕЛ I. БИОФИЗИКА МЕМБРАН Информация (От Лат. Informatio – Разъяснение, Осведомление) - Это Один...
Информация (от лат. informatio – разъяснение, осведомление) - это один из широко используемых на сегодня терминов, которые употребляет человек в процессе деятельности. Создаются информационные центры, передаются информацонные программы, говорят о лавинном росте информационных потоков, сообщается информация «для размышления» и т.д. Практически одновременно и взаимосвязано с появлением кибернетики в XX столетии создается теория информации - раздел кибернетики, посвященный математическому описанию процессов получения, хранения, переработки и передачи информации.
Эта теория возникла в ходе решения задач передачи потоков сообщений по каналам связи в технических системах, и первый фундаментальный труд принадлежит К.Шеннону «Математическая теория связи» (1948 г.). Сегодня понятие «информация» является одной из основных философских категорий, заряду с такими категориями, как материя, энергия, без которых невозможно описание функционирования живых систем.
К основным понятиям теории информации относятся: сообщение, сигнал, количество информации, энтропия, кодирование, пропускная способность канала связи.
Сообщение - это некоторая информация о событиях, закодированная в форме определенного сигнала.
Сигнал - физический носитель информации. Сигналом может быть звук, свет, буква, механический удар и др.
Прежде чем рассмотреть вопрос о количестве информации, необходимо отметить следующие ее свойства:
1. Информация имеет смысл только при наличии ее приемника (потребителя). Если принимающий объект отсутствует, то нельзя говорить о существовании информации. Так, если в комнате работает телевизор, но в ней нет человека, то все, что показывается и говорится, не является информацией.
2. Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что передается некоторая информация. Информативно только такое сообщение, которое несет в себе что-то неизвестное ранее, в чем нуждается объект, которому оно передается.
3. Информация может передаваться не обязательно только через наше сознание. Она передается и на подсознательном уровне, и на уровне внутренних процессов в организме. Для мышц двигательного аппарата пришедшие к нему нервные импульсы несут информацию о необходимых действиях; для сердца объем крови в диастолу несет информацию о необходимой силе последующего сокращения, перестройка конформации фермента несет информацию для процессов переноса ионов и др.
4. Если событие достоверное (то есть его вероятность Р=1), то сообщение о том, что оно произошло, не несет никакой информации для потребителя. Так, если вы в настоящий момент читаете эту страницу учебника и вам кто-то об этом сообщает, то в этом сообщении для вас нет ничего нового, то есть не содержится абсолютно никакой информации.
5. Сообщение о событии, вероятность которого Р<1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которое произошло.
Таким образом, чем меньше вероятность некоторого события, тем большее количество информации содержит сообщение том, что оно произошло.
Так, например, если во Вселенной появилась сверхновая звезда, событие крайне маловероятное, об этом сообщают все новые информационные агентства и газеты, так как в этом общении содержится огромное количество информации.
Шеннон дал следующее определение информации:
"Информация, содержащаяся в сообщении, есть мера того количества неопределенности, которое ликвидируется после получения данного сообщения».
Количество информации I(хi), содержащееся в сообщении равно логарифму величины, обратной вероятности Р(хi) события:
.
За единицу информации принято количество информации содержащееся в сообщении о том, что произошло одно из равновероятных событий, то есть если Р(А) = Р(В) = 0,5, то
IA = IB =-log, 0,5 = 1.
Это количество информации называют бит.
Пример: Сколько бит информации содержит произвольное трехзначное число?
Первая цифра имеет 9 различных значений от 1 до 9 (т.к. 0 в начале числа незначим), вторая и третья - по 10 значений (от 0 до 9). Тогда
I = log29 + 2 log210 = 9,28 бит.
В теории информации источник информации задается в виде множества сообщений X1, Х2,...,Хп с вероятностями соответственно Р1, Р2,...,Рп. В этом случае среднее количество информации, приходящееся на одно сообщение, определяется по формуле Шеннона:
.
Среднее колическтво информации на одно сообщение:
бит.
Величина Ī рассматривается как мера неопределенности сведений об источнике информации, которая имела место до приема сообщений и была устранена после их получения.
Эту меру неопределенности называют энтропией (Н) источника информации, приходящейся на одно сообщение. Таким образом:
.
Среднее количество информации и энтропия Н численно равны, но имеют противоположный смысл.
Чем из большего числа сообщений получатель информации должен сделать выбор, тем большее значение имеет информационная энтропия.
Для источника с единственно возможным сообщением, вероятность которого стремится к 1 (Р→1), энтропия стремится к нулю (Н→0). Если все k возможных сообщений источника равновероятны (Р(хi) = 1/к), то его энтропия Н максимальна:
Hmax=log2k.
Предполагается, что каждому сообщению соответствует только одно из возможных состояний источника. В этом случае величина Н может служить мерой неорганизованности системы, являющейся источником информации. Чем менее организована система, тем больше число ее возможных состояний и величина максимальной энтропии.
Для передачи сообщения по каналу информация кодируется, например, положение флага на флоте, азбука Морзе, последовательность, частота, длительность импульсов в нервной сети и др. На приемной стороне необходим декодер, который осуществляет обратное кодеру преобразование: код сигнала преобразуется в содержание сообщения. При передаче информации по каналу связи могут происходить ее искажения за счет помех из внешней среды и нарушений в самой линии.
Эффективными способами борьбы с искажениями информации является создание ее избыточности и передача сигналов по большому числу параллельных каналов. Оба эти способа широко используются в организме человека. В нервных сетях всегда обеспечивается дублирование основного сообщения большим числом параллельных сигналов, поэтому количество рецепторов значительно превышает количество нейронов, к которым от них поступают сигналы.
Пропускная способность любых рецепторных аппаратов существенно выше возможностей осознания сенсорной информации. Человеческое сознание пользуется очень малой долей информации, поставляемой в мозг периферическими отделами анализаторов - сенсорными входами. Так например, максимальный поток информации в процессе зрительного восприятия, осознаваемого человеком, составляет всего 40 бит/с, тогда как информационная емкость потока нервных импульсов в зрительных нервах оценивается величиной 107 бит/с. За счет столь огромной избыточности достигается высокая надежность процессов в организме.
Лекция... Тема БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ СТРУКТУРА СВОЙСТВА... Биофизика мембран важнейший раздел биофизики клетки имеющий большое значение для биологии Многие жизненные...
Основные функции биологических мембран
Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию и воспроизведению - это живая клетка - основа строения всех животных и растений. Важнейшими условиями существования
Структура биологических мембран
Первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 г. Было замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого было сдел
Фазовые переходы липидов в мембранах
Вещество при разных температуре, давлении, концентрациях химических компонентов может находиться в различных физических состояниях, например газообразном, жидком, твердом, плазменном. Кристаллическ
Тема: ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
При всем многообразии строения и физико-химических свойств молекул проникающих веществ можно выделить два механизма перемещения веществ через мембрану;
1) посредством простой диффузии, т.е
Пассивный перенос веществ через мембрану
Пассивный транспорт - это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.
Пассивный транспорт идет с уменьшением энергии Гиббса
Активный транспорт веществ. Опыт Уссинга
Активный транспорт - это перенос вещества из мест с меньшим значением электрохимического потенциала в места с его большим значением.
Активный транспорт
Электрогенные ионные насосы
Согласно современным представлениям, в биологических мембранах имеются ионные насосы,работающие за счет свободной энергии гидролиза АТФ, - специальные системы интег
Липидные поры: стабильность и проницаемость мембран
Бимолекулярный слой фосфолипидов составляет основу любой клеточной мембраны. Непрерывность его определяет барьерные и механические свойства клетки. В процессе жизнедеятельности непр
Типы управляемых каналов.
1) Потенциалоуправляемые каналы.
«Ворота» канала системой «рычагов» соединены с диполе
Структура ионного канала.
Ион-селективный канал состоит из следующих частей : погруженной в бислой белковой части, имеющей субъединичное строение; селективного фильтра, образованного отрицательно заряженными атомами кислоро
Механизм генерации потенциала действия кардиомиоцита
Потенциал действия мышечной клетки сердца отличается от потенциала действия нервного волокна и клетки скелетной мышцы прежде всего длительностью возбуждения - деполяризации (рис).
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ОРГАНОВ
Функционирование живых клеток сопровождается возникновением трансмембранных электрических потенциалов. Клетки, образуя целостный орган, формируют сложную картину его электрической а
Физические основы электрокардиографии
Наибольшее распространение в медицинской практике в стоящее время получило изучение электрической активности сердца - электрокардиография.
Экспериментальные данные пока
Автоколебания и автоволны в органах и тканях
Процессы, которые повторяется во времени, называют колебаниями. В биологических объектах наблюдаются колебания различных видов на всех уровнях их организации. Так, в клетках
Основные свойства автоволн в АС.
1. Автоволна распространяется без затухания.
2. Автоволны не интерферируют и не отражаются от препятствий.
3. Направление распространения автоволны определяется зонами рефрактерно
Ревербератор в среде с отверстием
На основе методов математического моделирования была показана возможность существования принципиально иного механизма циркуляции автоволн в активных средах.
Рассмотрим процесс в плоской од
БИОФИЗИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ
Мышечная активность - это одно из общих свойств высокоорганизованных живых организмов. Вся жизнедеятельность человека связана с мышечной активностью. Независимо от назначения, особе
Структура поперечно-полосатой мышцы. Модель скользящих нитей
Мышечная ткань представляет собой совокупность мышечных клеток (волокон), внеклеточного вещества (коллаген, эластин и др.) и густой сети нервных волокон и кровеносных cocyдов. Мышцы по строению дел
Биомеханика мышцы
Мышцы можно представить как сплошную среду, то есть среду, состоящую из большого числа элементов, взаимодействующих между собой без соударений и находящихся в поле внешних сил. Мышца одновременно о
Уравнение Хилла. Мощность одиночного сокращения
Зависимость скорости укорочения от нагрузки Р является важнейшей при изучении работы мышцы, так как позволяет выявить закономерности мышечного сокращения и его энергетики. Она была подробно изучена
Электромеханическое сопряжение в мышцах
Электромеханическое сопряжение - это цикл последовательных процессов, начинающийся с возникновения потенциала действия ПД на сарколемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом
Реологические свойства крови
Реология (от греч. rheos - течение, поток, logos - учение) -это наука о деформациях и текучести вещества. Под реологией крови (гемореологией) будем понимать изучение биофизических осо
Основные законы гемодинамики
Гемодинамика - один из разделов биомеханики, изучающий законы движения крови по кровеносным сосудам. Задача гемодинамики - установить взаимосвязь между основными гемодинамическими показателями, а т
Биофизические функции элементов сердечно-сосудистой системы
В 1628 г. английский врач В. Гарвей предложил модель сосудистой системы, где сердце служило насосом, прокачивающим кровь по сосудам. Он подсчитал, что масса крови, выбрасываемой сердцем в артерии в
Фильтрация и реабсорбция жидкости в капилляре.
При филътрационно-реабсорбционных процессах вода и растворенные в ней соли проходят через стенку капилляра благодаря неоднородности ее структуры. Направление и скорость движения воды через различны
ИНФОРМАЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Биологическая кибернетика является составной частью биофизики сложных систем. Биологическая кибернетика имеет большое значение для развития современной биологии, медицины и экологии
Принцип автоматической регуляции в живых системах
Управление (регулирование) - процесс изменения состояния или режима функционирования системы в соответствии с поставленной перед ней задачей.
Всякая система содержит управляющую час
Биофизика рецепций
РЕЦЕПЦИЯ (от лат. receptio - принятие): в физиологии - осуществляемое рецепторами восприятие энергии раздражителей и преобразование ее в нервное возбуждение (Большой энциклопедический словарь).
Фоторецепторы.
С помощью глаз мы получаем до 90% информации об окружающем мире. Глаз способен различать свет, цвет, движение, способен оцениать скорость передвижения. Максимальная концентрация светочувствительных
Биофизика отклика.
Генерация рецепторного потенциала. Свет поглощается белком родопсином, бесцветным белком, который, по сути, является комплексом белка опсина и ретиналя (имеющего розовую окраску). Ретиналь может на
БИОСФЕРА И ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ
Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались и существуют под постоянным действием потоков электромагнитных волн и ионизирующих излучений. Естественный радиоактивный фон и фон электромагнитны
ЧЕЛОВЕК И ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА
Понятие «физические поля окружающего мира», является широким и может включать в себя многие явления зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если рассматривать его в строго фи
Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом
При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различ
Дозиметрия ионизирующих излучений
К ионизирующим излучениям относятся рентгеновское и γ-излучение, потоки α-частиц, электронов, позитронов, а также потоки нейтронов и протонов.
Действие ионизирующих излучений на
Естественный радиоактивный фон Земли
На биосферу Земли непрерывно действует космическое излучение, а также потоки α- и β-частиц, γ-квантов в результате излучения различных радионуклидов, рассеянных в зем
Нарушения естественного радиоактивного фона
Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к непоправимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона явл
Электромагнитные и радиоактивные излучения в медицине
Электромагнитные волны и радиоактивные излучения сегодня широко используются в медицинской практике для диагностики и терапии.
Радиоволны применяются в аппаратах УВЧ и СВЧ-физиотерапии. Де
Электромагнитные поля.
Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, более коротковолновое излучение - включая рентгеновское и γ-кванты - не зарегистриро
Акустические поля.
Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека ( 0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в
Низкочастотные электрические и магнитные поля
Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.
Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающим
Электромагнитные волны СВЧ-диапазона
Интенсивность излучения волн СВЧ-диапазона за счет теплового движения ничтожна. Эти волны в теле человека затухают слабее, чем инфракрасное излучение. Поэтому с помощью приборов для измерения слабы
Применение СВЧ-радиометрии в медицине.
Основными сферами практического применения СВЧ-радиометрии в настоящее время представляются диагностика злокачественных опухолей различных органов: молочной железы, мозга, легких, метастазов, а так
Оптическое излучение тела человека
Оптическое излучение тела человека надежно регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), способные
Акустические поля человека
Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов.
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
.
.
бит.
.
Новости и инфо для студентов