У бактерий, как известно, свой «язык общения», — обмен химическими сигналами. Для многих технических задач этот способ коммуникаций может оказаться крайне удобным — но чтобы освоить этот язык, ученым требуется описать его на языке математики.
На языке бактерий: Химическая связь
Химическими сигналами обмениваются, наверное, все живые организмы – и составные части многоклеточных организмов

Легендарный американский математик и инженер Клод Шеннон, основатель теории связи и теории информации, еще в 1940-х сумел разглядеть проблему. Он сказал, что основная задача любой коммуникации — воспроизведение в одной точке пространства сообщения, созданного в другой. Шеннон определил также и количество информации, которое должно быть передано из исходной точки в конечную через шумный канал для того, чтобы сообщение можно было восстановить.

Его математические работы стали одним из краеугольных камней современной информационной революции — и всех ее детищ, от телевидения до мобильной связи и Интернета. Однако легко заметить, что все элементы этой информатизации базируются на передаче электромагнитных волн. А между тем долгие миллиарды лет до того львиная доля информационного обмена на Земле осуществлялась принципиально иным способом — посредством отправки и получения химических сигналов. Мы и сами продолжаем их использовать, зачастую того не осознавая (читайте: «Тайная власть феромонов»).

Но лишь недавно группу американских ученых под руководством Равираджи Адве (Raviraj Adve) всерьез заинтересовал вопрос о том, насколько эффективен может быть подобный «химический» способ передачи информации. Они выстроили такую схему.

Возьмем передатчик, испускающий некоторое количество одинаковых сигнальных молекул. Тот или иной интервал испускания соответствует определенному сигналу. Передатчик находится в жидкой среде, и молекулы, лишенные направленности движения, распространяются по ней случайным образом, подчиняясь законам броуновского движения, в результате чего какая-то часть из них поступает на приемник, способный при этом регистрировать момент «прибытия» каждой молекулы.

Главная проблема этой схемы очевидна — случайность перемещения физического носителя сигнала. Испускаются молекулы с одним интервалом, но в ходе хаотического движения эти данные попросту стираются к моменту поступления молекул на приемник. И вообще, они могут приходить даже не в том порядке, в котором были испущены. На первый взгляд, таким путем вообще никакой информации передать нельзя. Однако более тщательная проработка вопроса показала обратное.

Ученые показали, что неопределенность прибытия сигнальных молекул, которую создает броуновское движение, подчиняется математическому обсчету и вполне может быть предсказана. Ключевым моментом в этом подходе стала трактовка этой неопределенности, как шума в обычном канале связи. И, как показал еще Шеннон, сигнал при некотором этом передать можно, если уровень шума не вносит в сообщение критическое количество искажений. А значит, и химическая связь оказывается вполне надежной.

Все это может иметь куда более далеко идущие последствия, нежели простой «биологический» или «медицинский» интерес. Хотя и понимание того, как клетки обмениваются сообщениями, крайне важно, сегодня и инженеры, и схемотехники активно присматриваются к подобным решениям. В некоторых условиях — и для некоторых условий — способность коммуникаций в разупорядоченной, хаотической среде может оказаться крайне важной, и тут химическая связь становится намного более эффективной, чем традиционная. Так что в будущем, возможно, мы услышим от друга: «От тебя пришла молекула в непонятной кодировке…»

По публикации physics arXiv blog