Evolusie deur BIT's en stukke: 'n Inleiding tot Fractal Evolution
Die membraangrens wat elke biologiese sel omhul, bestaan uit die strukturele basis van 'n biologiese verwerkerstelsel (sien artikel: Sellulêre Bewussyn). As 'n verwerker skandeer die sel se membraanreseptore die omgewing vir seine. Natuurlik is die omgewing oorspoel met seine. As al die seine hoorbaar was, sou die omgewing soos blaaiende geraas klink. Die spesifisiteit van ontvangs wat kenmerkend is vir elke reseptor IMP, stel dit egter in staat om sy komplementêre sein uit al die deurmekaar omgewingsgeraas te onderskei. Die sel se vermoë om nuttige inligting selektief uit “chaotiese” geraas te filter, lyk soos die funksie van Fourier-transformasies [wiskundige filterprosesse wat seine vind binne wat skynbaar geraas is] op komplekse insette om spesifieke frekwensies as inligtingseine waar te neem. Terwyl die omgewing in 'n sekere sin "chaoties" is, met honderde en duisende gelyktydig-uitgedrukte "seine", kan die sel selektief net daardie seine lees wat relevant is tot sy bestaan.
Gebaseer op die funksionele en strukturele kenmerke van die selmembraan, verteenwoordig elke enkele sel (bv. amoeba) 'n selfaangedrewe mikrorekenaarstelsel. Soos in digitale rekenaars, word die krag- of inligtingshanteringskapasiteit van die "sellulêre" rekenaar bepaal deur die aantal BIT's wat dit kan bestuur. In rekenaars is die BIT's hek/kanaal-komplekse, in die membraanverwerker word die BIT's deur reseptor/effektor-komplekse voorgestel. Die IMP-molekules wat die sel se BIT's bevat, het fisiese parameters gedefinieer en kan dus "gemeet" word.
Die dimensie van die IMP-proteïene is ongeveer dieselfde as die dikte van die membraan. Aangesien die IMP's per definisie binne die membraan se dubbellaag woon, kan die proteïene slegs as 'n monolaag gerangskik word (wat beteken dat die IMP's nie op mekaar gestapel kan word nie). Om die brood en botter en olyftoebroodjie-metafoor te gebruik, is daar net soveel olywe wat op die brood gelaag kan word. Om meer olywe in die toebroodjie te hê, vereis die gebruik van 'n groter sny brood. Dieselfde geld vir die verhoging van die aantal persepsie-IMP-eenhede in die membraan: hoe meer IMPs-hoe meer oppervlakarea van die membraan word benodig om hulle te hou. Die sel se inligtingsverwerkingsvermoë (weerspieël in die aantal persepsieproteïene) is direk gekoppel aan die oppervlakarea van die membraan.
Die diepgaande punt van hierdie diskoers ... Biologiese bewustheid is 'n meetbare eienskap, en is direk gekorreleer met die oppervlakte van die sel se membraan. Gevolglik word die rekenaarkrag van 'n sel fisies bepaal deur beperkings wat op sellulêre dimensies opgelê word.
Die eerste fase van evolusie van lewe het betrekking op die ontwikkeling en verfyning van die individuele biologiese rekenaar 'chip', die primitiewe bakterie. Die grootte van hierdie primitiewe organismes word beperk deur die feit dat hulle 'n rigiede buitenste skelet het, afgelei van die polisakkariede van die glikokaliks. Die matriks wat geproduseer word deur die kruisbinding van die suikermolekules in hierdie "jas" maak voorsiening vir die sel se beskermende "geraamte", wat 'n kapsule genoem word. Die kapsule ondersteun en beskerm die sel se dun membraan fisies teen breek onder die spanning van osmotiese druk.
Osmotiese druk is die krag wat gegenereer word deur die begeerte van water om deur 'n membraan te beweeg om die konsentrasie van deeltjies aan elke kant van die membraanversperring te "balanseer". Die sel se sitoplasma is gepak met deeltjies in vergelyking met die water waarin selle leef. Water uit die eksterne omgewing sal deur die membraan gaan om die konsentrasie sitoplasmiese deeltjies te verdun. Die sel sou met water opswel en die druk sou veroorsaak dat die delikate membraan-dubbellaag skeur, wat die sel doodmaak. Die glycocalyx eksoskelet weerstaan lewensgevaarlike osmotiese druk.
Bakterieë is die sellulêre ekwivalent van ongewerwelde diere (diere wat nie 'n interne ondersteunende skelet besit nie (bv. mossels, insekte, jellievisse). Terwyl die skelet die bakterie beskerm, beperk sy rigiede aard dit ook. Die bakteriese selgrootte word beperk deur sy buitenste kapsule. Die grootte beperking beperk die hoeveelheid membraan wat die sel kan besit. Membraanoppervlakte is eweredig aan bewustheid, gebaseer op die aantal IMP's wat dit kan bevat. Die bakteriese kapsule beperk die sel se evolusie aangesien daar 'n beperking op die aantal eenhede is van persepsie wat die membraan kan bevat.
Trouens, die meeste van die bakterie se membraanoppervlakte word gebruik om die nodige IMP-komplekse te huisves wat nodig is vir seloorlewing. Elke bakterie is egter ook in staat om oor ses bykomende omgewings-“seine” te leer. Byvoorbeeld, 'n bakterie kan die vermoë verkry om 'n antibiotika wat in die omgewing ingebring word, te weerstaan. Dit doen dit deur 'n oppervlakreseptor te skep wat die molekules van die antibiotika bind en inhibeer. Die nuwe reseptor is basies die ekwivalent van 'n proteïen "teenliggaam" wat ons immuunselle skep om 'n indringende antigeen te neutraliseer.
Die skepping van 'n nuwe reseptor impliseer per definisie dat daar 'n nuwe geen geskep moet word om die aminosuurkode vir daardie proteïen te onthou. In bakterieë is hierdie "nuwe" geheue gene is teenwoordig as klein sirkels van DNA wat plasmiede genoem word. Die plasmiede is nie fisies geheg aan die sel se oorerflikheid-voorsienende chromosoom nie en dryf vrylik in die sitoplasma. Bakterieë is in staat om gemiddeld sowat ses te skep verskillende plasmiede, elk afgelei van 'n unieke leer "ervaring." Die beperking op die aantal plasmiede wat die sel besit, is nie te wyte aan 'n onvermoë om DNA te maak nie. Want die bakterie kan duisende kopieë maak van enige van die individuele plasmiede wat dit besit. Die beperkings moet verband hou met die feit dat elke "nuwe" proteïen persepsie kompleks 'n eenheid van oppervlakte vereis om sy funksies uit te druk. Die onvermoë om sy membraan uit te brei (dws oppervlakte) beperk die bakterie se vermoë om nuwe persepsies (bewustheid) te verkry.
Hoe meer bewustheid hoe groter is die vermoë om te oorleef. Beperkings op individue wat hul bewustheid verhoog het, het gelei tot bakterieë wat in losgebreide gemeenskappe woon. As 'n individuele bakterie ses feite oor die omgewing kan "leer", is honderd bakterieë gesamentlik in staat om bewus te wees van 600 feite. Bakterieë het meganismes ontwikkel om kopieë van hul plasmiede na ander bakterieë in die gemeenskap oor te dra. Deur kopieë van hul "aangeleerde" DNS oor te dra, deel hulle hul "bewustheid" met die gemeenskap. Bakterieë kan 'n plasmied na 'n ander individu oordra. Die ontvangerbakterie kan die geskenkte plasmied se “bewustheid” gedurende sy lewe gebruik, maar kan oor die algemeen nie kopieë van die plasmied aan sy dogtersel-nageslag oordra nie.
Bakterieë beskik oor fyn tentakelagtige uitsteeksels wat strek vanaf hul buitenste oppervlak genoem pili. Wanneer die pili van twee bakterieë aan mekaar raak, kan die pilusmembrane vir ’n oomblik saamsmelt en die sitoplasma van die twee selle saamvoeg. Op die oomblik van samesmelting kan die twee bakterieë kopieë van hul plasmiede uitruil. Bakterieë is ook in staat om vrye drywende DNS in die omgewing op te smeer, so plasmiede wat in die omgewing vrygestel word, soos wat kan voorkom wanneer 'n sel sterf en sy sitoplasma uitlek, kan deur ander selle opgevang word. Die omgewing is egter taai op vryswewende DNA en die plasmiede breek maklik af. 'n Derde, meer effektiewe manier om "bewustheid"-plasmiede te versprei, het ontstaan toe bakterieë geleer het hoe om hul plasmied-DNS in beskermende proteïendoppe te verpak, wat virusse skep. Virusse bevat "inligting" wat aan ander individuele selle in die omgewing vrygestel word. Sommige virusse maak die selle dood wat hulle optel, terwyl ander virusse die selle beskerm wat hulle "infekteer". Soms is “inligting” lewensbevestigend, soms is dit dodelik.
Bakteriese gemeenskappe het 'n manier ontwikkel om hul oorlewing te verhoog deur 'n polisakkaried ekstrasellulêre matriks te ontplooi om al die selle in die gemeenskap te omhul en hulle te "beskerm" teen die verwoesting van die wilde omgewing. Individuele bakterieë kon deur "besproeide" kanale binne die matriks beweeg. Die kanale het ook 'n kommunikasie van ekstrasellulêre materiale en inligtingmolekules moontlik gemaak, wat 'n gemeenskaplike integrasie tussen al die lede van die gemeenskap verskaf het. Die sellulêre gemeenskap kan bevolk wees met 'n verskeidenheid bakteriese spesies. Suurstofvresende anaërobiese vorms van bakterieë kan byvoorbeeld aan die onderkant van 'n gemeenskap leef, terwyl suurstof-liefhebbende aërobiese bakterieë in die boonste vlakke van dieselfde gemeenskap teenwoordig is. Bakterieë binne die gemeenskap is geredelik in staat om hul DNA uit te ruil en sodoende die sellulêre burgers in staat te stel om gespesialiseerde, gedifferensieerde funksies te verkry.
Hierdie matriks-omhulde bakteriese gemeenskappe word biofilms genoem (sien illustrasie hieronder). Biofilms het baie belangrik geword aangesien dit nou erken word om bakteriese gemeenskappe teen antibiotika te beskerm. Die bakterieë wat tandholtes vorm, is eintlik biofilmgemeenskappe, wat ons pogings weerstaan om hulle van ons tande af te skuur. Die weerstandbiedende en beskermende aard van die biofilms het hierdie gemeenskappe in staat gestel om die eerste lewensvorme te wees wat die see verlaat en op die land woon.
Baie jare gelede het bioloog Lynn Margulis die konsep gestig dat mitochondria bakteriële-agtige organismes is wat die sitoplasma van meer gevorderde kernbevattende selle genaamd eukariote binnegedring het. Aanvanklik is haar idees deur die establishment bespot, maar oor die jare het dit 'n algemeen aanvaarde geloof geword. Interessant genoeg bied 'n begrip van die gemeenskaplike aard van bakterieë in biofilms 'n ander interpretasie.
Die mikrograaf aan die linkerkant illustreer 'n voorbeeld van 'n biofilm in 'n menslike long. Die aansteeklike pseudomonas bakteriële klomp is omhul in 'n donker kleurende ekstrasellulêre matriks (sien pyltjie) wat 'n biofilm bevat. Inkapseling binne die matriks beskerm die bakterieë teen die immuunstelsel se pogings om hulle te vernietig. Die matriks, hoofsaaklik gemaak van koolhidrate, kan ook die spierproteïene, aktien en miosien bevat, wat aan die buitenste oppervlaktes van sommige bakterieë gebonde gevind word. Die eksterne aktien- en miosienproteïene stel die bakterieë in staat om binne die film se matriks te beweeg.
Die mikrograaf aan die regterkant is dieselfde prentjie, maar met 'n "membraan" wat om die film se omtrek geteken is. 'n Membraan om die film sal die bakteriese gemeenskap in staat stel om die samestelling en karakter van hul omgewing fyn te beheer, 'n noodsaaklike ontwikkeling wat hul oorlewing sal verbeter. Hierdie gewysigde film lyk soos die sitologiese anatomie van die evolusionêr meer gevorderde eukariotiese sel. In hierdie geval sal die bakterieë die sel se organelle verteenwoordig en die film se matriks sal die sitoskeletaalryke sitoplasma tussen die organelle verteenwoordig. Interessant genoeg het die eukariote sitoplasma baie van dieselfde strukturele komponente wat die biofilm se matriks kenmerk. Dit is veral waar van die aktien en miosien wat die bakterieë in staat stel om in die film te beweeg op dieselfde manier as wat organelle in die sitoplasma beweeg.
Die punt van hierdie bespreking is dat die meer gevorderde eukariotiese sel, eerder as om 'n geëvolueerde enkele entiteit te wees, die evolusie van 'n bakteriese gemeenskap kan verteenwoordig. 'n Sel sou 'n fyn ingestelde gemeenskap van prokariote verteenwoordig wat in organelle gedifferensieer het. So 'n hipotese ondersteun die oortuigings van pleomorfiese bioloë, 'n klein maar stewige groep wetenskaplikes wat glo dat siekteverwante mikroörganismes lewensvorme kan verteenwoordig wat uit sterwende selle ontstaan het. Maak sin.
Ongeag, die tweede fase van evolusie het die oorsprong van die meer gesofistikeerde eukariotiese (kern) sel gesien. Evolusie het egter opgehou toe die kernsel sy maksimum spesifieke grootte bereik het, want daar is fisiese beperkings op sellulêre lewe. As die sel probeer om sy oppervlakte verder as 'n gegewe grootte uit te brei, sal die sel onstabiel word, want as dit sekere afmetings oorskry, sal die membraan nie fisies in staat wees om die massa van sy sitoplasma te beperk nie. Dit sal lei tot 'n skeuring van die membraan en 'n verlies van die membraanpotensiaal (waaruit die sel sy lewegewende energie put). Ook, as die sel 'n sekere deursnee oorskry, sal die proses van diffusie nie genoeg suurstof vir metaboliese verwerking moontlik maak om die sentrale gedeelte van die sel te bereik nie.
As gevolg hiervan, in die geskiedenis van evolusie, was die eerste 3 miljard jaar hoofsaaklik geassosieer met voorkoms en evolusie eensellige organismes (bakterieë, alge, protosoë). Dit was die oorsprong van meersellige organismes wat 'n alternatiewe manier verteenwoordig het om die membraanoppervlakte (dws bewusmakingspotensiaal) buite die beperkings van die enkelsel uit te brei. Gevolglik, in wat neerkom op 'n derde fase van evolusie, het 'n toename in biologiese "rekenaar" krag (bewustheid) voortgespruit uit dieselfde proses van organisering in hoërorde gemeenskappe. Eerder as om bewustheid van die individuele eukariotiese sel te verhoog, was die derde fase van evolusie gemoeid met die ordening van individuele eukariotiese sel 'skyfies' in interaktiewe samestellings.
Hierdie "fasering" van evolusie lyk soos dié wat in die rekenaarbedryf plaasgevind het. Texas Instruments het die skyfie ontwikkel. Individuele skyfies is die hart van die eenvoudige sakrekenaar. Maar toe baie skyfies geïntegreer en saam bedraad is, het hulle vir die rekenaar voorsien. Toe individuele rekenaars hul maksimum krag bereik het, is superrekenaars geskep deur baie rekenaars saam te stel in 'n georganiseerde parallelle verwerkende "gemeenskap". Die bakterie se verhouding tot die eukariotiese sel is gelykstaande aan die skyfie se verhouding met die rekenaar. Die eukariotiese sel se verhouding tot die meersellige organisme is dieselfde as 'n individuele rekenaar se verhouding tot die geheel in 'n parallelverwerkingsnetwerk.
In rekenaars word die "krag" van die masjien gemeet in BIT-hanteringskapasiteite. In biologiese organismes word die "bewustheid"-potensiaal weerspieël in die aantal en verskeidenheid geïntegreerde IMP-komplekse. Aangesien die hoeveelheid IMP's direk aan "oppervlakte" gekoppel is, word bewustheid 'n faktor van gedeelde membraanoppervlaktes in die meersellige organismes.
Oorweeg daardie oppervlakte-area-verwantskap met betrekking tot vertebrate-brein-evolusie. Eerste gewerwelde breine is klein, gladde sfere. Soos 'n mens die evolusionêre leer bestyg, word die breine groter en meer oppervlakte word vervolgens afgelei van invoue van die brein se oppervlak wat die kenmerkende sulci (groewe) en gyri (voue) van meer gevorderde breine produseer. Interessant genoeg, wanneer bewustheid in terme van breinoppervlak oorweeg word, is mense in die tweede plek aangesien bruinvis- en dolfynbreine 'n groter oppervlakte het.
Daar word voorgestel dat, soortgelyk aan eensellige protosoë, mense nog 'n evolusionêre eindpunt verteenwoordig, die hoogste vlak van ontwikkeling vir 'n meersellige biologiese struktuur. In 'n reeks gebeurtenisse wat oorbodig was as dié wat in die vorige twee evolusiesiklusse plaasgevind het, het menslike evolusie voortgegaan deur 'n proses van samestelling en integrasie van individue in 'n multi-"sellulêre" gemeenskap. In hierdie gemeenskap bekend as die mensdom, is elke persoon se rol analoog aan dié van 'n enkele sel in die menslike konstruk. In die globale siening van die Aarde as 'n lewende organisme (Gaia), is mense die IMP-ekwivalente in die Aarde se oppervlakmembraan. Mense, as reseptore en effektore, versamel en integreer in patroonnetwerke (gemeenskap) in die Aarde se omhulsel waarin hulle omgewings-“seine” ontvang en dien as skakelmeganismes van die planeet se membraanhekke.
Hierdie studies toon dat vorige en toekomstige evolusie wiskundig gemodelleer kan word in die struktuur en uitbreiding van die selmembraan. Die beste manier om tweedimensionele membraanoppervlakte in 'n driedimensionele selruimte te organiseer, is om fraktale geometrie te gebruik.
In die natuur druk die meeste anorganiese en organiese strukture 'n "onreëlmatige" patroon uit. Binne die oënskynlike chaos van die onreëlmatighede vind 'n mens egter dat die onreëlmatige strukture "gereeld" herhaal word (dws dit toon 'n vorm van orde). Byvoorbeeld, die vertakkingspatroon in 'n boom se takkie is dikwels dieselfde vertakkingspatroon wat op die boom se stam waargeneem word. Die vertakkingspatroon van 'n groot rivier is identies aan die vertakkingspatroon wat langs sy kleiner sytakke waargeneem word. Die patroon van takke langs die brongus is 'n herhaling van die patroon van lugwegtakke langs die kleinste brongiole. Soortgelyke beelde van herhaalde vertakkingspatrone in die liggaam word in die arteriële en veneuse bloedvate en perifere senuweestelsel geopenbaar.
Die Franse wiskundige, Benoit Mandelbrot, was die eerste om te erken dat die meetkunde van baie van die Natuur se voorwerpe 'n soortgelyke patroon openbaar, ongeag die skaal waarop dit ondersoek is. Hoe meer jy die beeld vergroot, hoe meer lyk die struktuur dieselfde. Mandelbrot het die term "self-soortgelyk" bekendgestel om sulke voorwerpe te beskryf. “In 1975 het Mandelbrot die woord fraktaal geskep as 'n gerieflike etiket vir onreëlmatige en gefragmenteerde selfsoortgelyke vorms.
Die wiskunde van fraktale is verbasend eenvoudig deurdat dit bestaan uit die herhaalde “bewerkings” van optellings en vermenigvuldiging. In die proses word die resultaat van een bewerking as die inset vir die daaropvolgende bewerking gebruik; die resultaat van daardie bewerking word dan gebruik as die inset vir die volgende bewerking, ensovoorts. Wiskundig gebruik al die "bewerkings" presies dieselfde formule, maar dit moet miljoene kere herhaal word om die oplossing te kry. Die handearbeid en tyd wat nodig was om 'n fraktale vergelyking te voltooi, het wiskundiges verhinder om die "krag" van fraktale meetkunde te herken totdat die koms van kragtige rekenaars Benoit Mandelbrot in staat gestel het om hierdie nuwe wiskunde te definieer.
In klassieke meetkunde verteenwoordig die punte, lyne, oppervlaktes en kubieke strukture almal dimensies uitgedruk in heelgetalle, 0-, 1-, 2- en 3-dimensies, onderskeidelik. Fraktale meetkunde word gebruik om beelde te modelleer wat meer "interdimensioneel" is. Byvoorbeeld, 'n geboë lyn is 'n 1-dimensionele voorwerp. In fraktale kan die kromme so zigzag dat dit eintlik naby kom om die vlak te vul. As die kurwe van die lyn relatief eenvoudig is, is dit naby 'n dimensie van 1. As die lyn se kurwes so styf gepak is dat hulle die spasie vul, nader die lyn 2-dimensies. Fraktale Meetkunde vul die spasies tussen heelgetaldimensies in.
'n Strukturele eienskap van fraktale is relatief eenvoudig om te verstaan: fraktale vertoon 'n herhaalde patroon van "strukture" wat in mekaar geneste is. Elke kleiner struktuur is 'n miniatuur, maar nie noodwendig 'n presiese weergawe van die groter vorm nie. Fraktale wiskunde beklemtoon die verband tussen die patrone wat in die geheel gesien word en die patrone wat in dele van daardie geheel gesien word. Byvoorbeeld, die patroon van takkies op 'n tak lyk soos die patroon van ledemate wat van die stam aftak. Fraktale voorwerpe kan voorgestel word deur 'n "boks" binne 'n "boks," binne 'n "boks," binne 'n "boks," ens. As 'n mens die parameters van die eerste "boks" ken, dan word 'n mens outomaties voorsien van die basiese patroon wat al die ander (groter of kleiner) "bokse" kenmerk.
Soos beskryf in die Mathematics of Human Life-artikel deur W. Allman (aangehaal in verwysingsafdeling), "Wiskundige studies van fraktale toon dat die vertakking-binne-vertakkingsstruktuur van 'n fraktaal die beste manier verteenwoordig om die meeste oppervlakte binne 'n drie te kry. -dimensionele ruimte...." Terwyl die selmembraan in werklikheid 'n 3-dimensionele voorwerp is, besit sy molekulêre dubbellaag 'n konstante en eenvormige dikte. As sodanig kan die dikte van die membraan geïgnoreer word en die membraan kan gemodelleer word as 'n 2-dimensionele "oppervlakte-area" struktuur. Aangesien evolusie die modellering van die membraan se bewustheid is (verwant aan sy oppervlakarea), sal die doeltreffendheid van modellering wat deur fraktale meetkunde verskaf word, heel waarskynlik dit weerspieël wat deur die Natuur gekies is.
Die punt is om nie vasgevang te raak in die wiskunde van die modellering nie. Die punt is dat die fraktale model voorspel dat evolusie gebaseer sal wees op 'n herhaalde patroon van "strukture" wat in mekaar geneste is! Meer spesifiek, aangesien dit verband hou met 'n konsep van Fraktale Evolusie, "die patroon van die geheel word in die dele van die geheel gesien," beteken dit dat die patroon van die mens in die dele (selle) van die mens gesien word. As 'n mens bewus is van die patroon waarvolgens 'n sel funksioneel georganiseer is, word daar ook insig in die organisasie van 'n mens gegee. Oorweeg dit: die fraktale beelde van kleiner strukture is miniatuur van die groter geheel. Daarom, terwyl die struktuur van mense 'n self-soortgelyke beeld van hul eie selle is, sou die struktuur van die menslike beskawing 'n self-soortgelyke struktuur van sy samestellende mense verteenwoordig!
Mense is 'n fraktale beeld van die samelewing, selle is 'n fraktale beeld van die mens. Trouens, selle is ook 'n fraktale beeld van die samelewing. Die fraktale aard van evolusie word verder geïmpliseer deur die herhaalde, selfde patrone wat in elk van die drie siklusse van evolusie waargeneem word.