СТОХАСТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС В БИОСИСТЕМАХ

Макеев В. Ю.
Институт молекулярной биологии РАН им. В.А. Энгельгардта, 117984 Москва
В последнее время большое внимание привлекает к себе явление стохастического резонанса, наблюдающееся в различных системах, с пороговой активацией, находящихся под одновременным воздействием шума и когерентной, обычно периодической силы. В некоторых условиях усиление интенсивности внешнего шума приводит к более упорядоченному поведению системы. Стохастический резонанс - это кооперативный эффект в нелинейных системах, при котором энергия шума, распределенная по широкому спектру, перекачивается в выходную энергию на частоте сигнала. При этом амплитуда ответа системы описывается функцией резонансного типа, в которой аргументом является уровень шума. Механизм его приблизительно таков: при наличии шума частица совершает переходы из одних состояний в другие; характерное время таких переходов определяется крамерсовским параметром. При наложении детерминированной модуляции высота барьера начинает зависеть от времени, а отношение вероятностей перехода в фазе и противофазе с вынуждающей силой становится равным , где Q - высота барьера, а D - интенсивность шума. С ростом интенсивности шума время Крамерса уменьшается. Если вынуждающая сила меняется достаточно медленно, то можно достичь режима, при котором время Крамерса становится порядка периода этого характерного времени изменения, но соотношение все еще достаточно велико. Тогда переходы в системе достаточно достоверно модулируются сигналом, и мы имеем дело со стохастическим резонансом. При больших D время Крамерса становится слишком малым по сравнению с характерным временем модуляции, а ~1, и стохастический резонанс не осуществляется. Стохастический резонанс предоставляет возможность усиливать за счет шума сигналы с амплитудой существенно меньшей, чем интенсивность шума. В первую очередь такая возможность интересна в связи с kT-проблемой, суть которой сводится к вопросу: "может ли воздействие с характерной энергией, меньшей средней энергии теплового фона (kT), иметь хоть какую-то биологическую значимость". В частности, на подобных аргументах основан скептицизм по отношению к возможности воздействия на живые ткани слабых электромагнитных волн. Рассматривается простая модель мембранного канала, переключение между уровнями проводимости в котором можно промодулировать слабым внешним сигналом.