Еволюция от BIT и парчета: Въведение във фракталната еволюция
Границата на мембраната, обгръщаща всяка биологична клетка, представлява структурната основа на биологична процесорна система (вж. Статия: Клетъчно съзнание). Като процесор, мембранните рецептори на клетката сканират околната среда за сигнали. Очевидно околната среда е затрупана със сигнали. Ако всички сигнали се чуваха, околната среда щеше да звучи като избухлив шум. Въпреки това, специфичността на приемането, която е характерна за всеки рецептор IMP, му позволява да различи своя допълващ сигнал от целия объркан околен шум. Способността на клетката да избирателно филтрира полезна информация от „хаотичен” шум наподобява функцията на преобразуванията на Фурие [математически процеси на филтриране, които намират сигнали в рамките на това, което изглежда шум] на сложни входове, за да възприемат специфични честоти като информационни сигнали. Докато средата е в известен смисъл „хаотична“ със стотици и хиляди едновременно изразени „сигнали“, клетката може избирателно да чете само онези сигнали, които са от значение за нейното съществуване.
Въз основа на функционалните и структурни характеристики на клетъчната мембрана, всяка отделна клетка (напр. Амеба) представлява a микрокомпютърна система със самостоятелно захранване. Както при цифровите компютри, мощността или капацитетът за обработка на информация на „клетъчния” компютър се определя от броя на неговите BIT, които той може да управлява. В компютрите BIT са комплекси порта / канал, в мембранния процесор BIT са представени от рецептор / ефекторни комплекси. IMP молекулите, съдържащи BIT на клетката, имат определени физически параметри и следователно могат да бъдат „измерени“.
Размерът на IMP протеините е приблизително същият като дебелината на мембраната. Тъй като IMPs, по дефиниция, се намират в двуслоя на мембраната, протеините могат да бъдат подредени само като монослой (което означава, че IMP не могат да бъдат подредени един върху друг). За да използваме метафората за хляба и маслото и маслиновия сандвич, има толкова много маслини, които могат да бъдат наслоени върху хляба. За да имате повече маслини в сандвича, трябва да използвате по-голяма филия хляб. Същото се отнася и за увеличаване на броя на възприемащите IMP единици в мембраната: колкото повече IMPs - толкова по-голяма е площта на мембраната, необходима за тяхното задържане. Възможността на клетката за обработка на информация (отразена в броя на възприемащите протеини) е пряко свързана с повърхността на мембраната.
Дълбоката точка на този дискурс ... Биологичното осъзнаване е измеримо свойство и е пряко свързана с повърхността на клетъчната мембрана. Следователно изчислителната мощ на клетката се определя физически от ограниченията, наложени върху клетъчните размери.
- първа фаза на еволюцията на живота се отнася до развитието и усъвършенстването на индивидуалния биологичен компютърен „чип“, примитивната бактерия. Размерът на тези примитивни организми се ограничава от факта, че те притежават твърд външен скелет, получен от полизахаридите на гликокаликса. Матрицата, получена от омрежването на захарните молекули в тази „обвивка“, осигурява защитния „скелет“ на клетката, наречен капсула. Капсулата физически поддържа и защитава тънката мембрана на клетката от разкъсване под напрежението на осмотичното налягане.
Осмотичното налягане е силата, генерирана от желанието на водата да се движи през мембраната, за да „балансира“ концентрацията на частици от всяка страна на мембранната бариера. Цитоплазмата на клетката е пълна с частици в сравнение с водата, в която живеят клетките. Водата от външната среда ще премине през мембраната, за да разреди концентрацията на цитоплазмени частици. Клетката ще се надуе с вода и налягането ще доведе до разрушаване на деликатния мембранен двуслой, убивайки клетката. Екзоскелетът на гликокаликса е устойчив на животозастрашаващо осмотично налягане.
Бактериите са клетъчен еквивалент на безгръбначни животни (животни, които не притежават вътрешен поддържащ скелет (напр. Миди, насекоми, медузни риби). Докато скелетът защитава бактерията, нейната твърда природа също я ограничава. Размерът на бактериалната клетка е ограничен от външната капсула. Ограничението на размера ограничава количеството мембрана, която клетката може да притежава. Площта на мембраната е пропорционална на осведомеността, въз основа на броя на IMPs, които може да съдържа. Бактериалната капсула ограничава развитието на клетката, тъй като има ограничение на броя единици на възприятието мембраната може да съдържа.
Всъщност по-голямата част от повърхността на мембраната на бактерията се използва за приютяване на необходимите IMP комплекси, необходими за оцеляването на клетките. Въпреки това, всяка бактерия може да научи и за шест допълнителни „сигнала“ от околната среда. Например, бактерията може да придобие способността да се противопоставя на антибиотик, въведен в околната среда. Това се прави чрез създаване на повърхностен рецептор, който свързва и инхибира молекулите на антибиотика. Новият рецептор е фундаментално еквивалент на протеиново „антитяло“, което нашите имунни клетки създават, за да неутрализират инвазивен антиген.
Създаването на нов рецептор, по дефиниция, предполага, че трябва да има нов ген, създаден, за да запомни аминокиселинния код за този протеин. В бактериите тези „нови“ памет гените присъстват като малки кръгове на ДНК, наречени плазмиди. Плазмидите не са физически свързани с хромозомата, осигуряваща наследствеността на клетката, и плават свободно в цитоплазмата. Бактериите са способни да създадат средно около шест различен плазмиди, всеки от които е извлечен от уникален учебен „опит“. Ограничението върху броя на плазмидите, които клетката притежава, не се дължи на неспособност да се направи ДНК. За бактерията може да направи хиляди копия на всеки от отделните плазмиди, които притежава. Ограниченията трябва да бъдат свързани с факта, че всеки „нов“ комплекс за възприемане на протеини изисква единица повърхност, за да изрази своите функции. Невъзможността да разшири своята мембрана (т.е. повърхностна площ) ограничава способността на бактерията да придобива нови възприятия (осъзнаване).
Колкото повече осъзнатост, толкова по-голяма е способността за оцеляване. Ограниченията за повишаване на информираността на индивидите доведоха до бактерии, живеещи в слабо плетени общности. Ако отделна бактерия може да „научи“ шест факта за околната среда, тогава сто бактерии са в състояние да съберат 600 факта. Бактериите са разработили механизми за прехвърляне на копия на своите плазмиди към други бактерии в общността. Прехвърляйки копия на своята „научена“ ДНК, те споделят своята „информираност“ с общността. Бактериите могат да прехвърлят плазмид на друг индивид. Бактерията реципиент може да използва „осведомеността“ на дарения плазмид по време на живота си, но обикновено не може да предава копия на плазмида на потомството на дъщерните си клетки.
Бактериите притежават фини пипаловидни издатини, които се простират от външната им повърхност, наречена пили. Когато пилите от две бактерии се докоснат, мембраните на пилуса могат за миг да се слеят, съединявайки цитоплазмата на двете клетки. В момента на сливане двете бактерии могат да обменят копия на своите плазмиди. Бактериите също така са в състояние да премахнат свободно плаващата ДНК в околната среда, така че плазмидите, освободени в околната среда, както може да се случи, когато клетката умре и нейната цитоплазма изтече, могат да бъдат извлечени от други клетки. Околната среда обаче е трудна за свободно плаващата ДНК и плазмидите лесно се разграждат. Трето, по-ефективно средство за разпространение на плазмиди с „осведоменост“ възниква, когато бактериите се научат как да пакетират своята плазмидна ДНК в защитни протеинови обвивки, създавайки вируси. Вирусите съдържат „информация“, която се отделя в други отделни клетки в околната среда. Някои вируси убиват клетките, които ги улавят, докато други вируси защитават клетките, които те „заразяват“. Понякога „информацията“ утвърждава живота, понякога е смъртоносна.
Бактериалните общности развиха средство за увеличаване на своето оцеляване чрез внедряване на полизахариден извънклетъчен матрикс, който да обгърне всички клетки в общността и да ги „предпази“ от опустошенията на дивата среда. Отделни бактерии са били в състояние да се движат през "напоявани" канали в рамките на матрицата. Каналите също така позволяват комуникация на извънклетъчни материали и информационни молекули, което осигурява комунална интеграция между всички членове на общността. Клетъчната общност може да бъде населена с различни бактериални видове. Например, опасните от кислород анаеробни форми на бактерии могат да живеят в дъното на една общност, докато аеробните бактерии, обичащи кислорода, присъстват в горните нива на същата общност. Бактериите в общността могат лесно да обменят своята ДНК и по този начин дават възможност на клетъчните граждани да придобият специализирани, диференцирани функции.
Тези обвити с матрица бактериални съобщества се наричат биофилми (вижте илюстрацията по-долу). Биофилмите станаха много важни, тъй като сега са признати за защита на бактериалните съобщества от антибиотици. Бактериите, които образуват зъбни кухини, всъщност са биофилмови общности, които се противопоставят на усилията ни да ги измием от зъбите си. Резистивният и защитен характер на биофилмите позволи на тези общности да бъдат първите форми на живот, напуснали океана и заживели на сушата.
Преди много години биологът Лин Маргулис основава концепцията, че митохондриите са бактериоподобни организми, които нахлуват в цитоплазмата на по-напреднали клетки, съдържащи ядро, наречени еукариоти. Първоначално идеите й бяха осмивани от заведението, но с течение на годините това се превърна в общоприето убеждение. Интересното е, че разбирането за общата природа на бактериите в биофилмите предлага друга интерпретация.
Микрофотографията вляво илюстрира пример за биофилм в белия дроб на човека. Инфекциозната псевдомонадна бактериална сноп е обвита в тъмно оцветяваща извънклетъчна матрица (виж стрелката), съдържаща биофилм. Капсулирането в матрицата предпазва бактериите от усилията на имунната система да ги унищожи. Матрицата, съставена предимно от въглехидрати, може също да съдържа мускулните протеини, актин и миозин, които се намират свързани с външните повърхности на някои бактерии. Външните протеини на актин и миозин позволяват на бактериите да се движат в матрицата на филма.
Микрофотографията вдясно е същата картина, но с „мембрана“, нарисувана около периферията на филма. Мембрана около филма би позволила на бактериалната общност да контролира фино състава и характера на своята среда, необходимо развитие, което би подобрило оцеляването им. Този модифициран филм наподобява цитологичната анатомия на еволюционно по-напредналата еукариотна клетка. В този случай бактериите ще представляват органелите на клетката, а матрицата на филма ще представлява цитоскелетната богата цитоплазма между органелите. Интересното е, че цитоплазмата на еукариотите притежава много от същите структурни компоненти, които характеризират матрицата на биофилма. Това важи особено за актина и миозина, които позволяват на бактериите да се движат във филма по същия начин, по който органелите се движат в цитоплазмата.
Смисълът на тази дискусия е, че по-напредналата еукариотна клетка, вместо да бъде еволюирала единична единица, може да представлява еволюцията на бактериална общност. Клетката би представлявала фино настроена общност от прокариоти, които са се диференцирали в органели. Подобна хипотеза подкрепя убежденията на плеоморфните биолози, малка, но твърда група учени, които вярват, че свързаните с болестта микроорганизми могат да представляват форми на живот, възникнали, избухнали от умиращите клетки. Има смисъл.
Независимо от това, втората фаза на еволюцията видя произхода на по-сложната еукариотна (ядрена) клетка. Еволюцията обаче е спряла, когато ядрената клетка е достигнала максималния си специфичен размер, тъй като има физически ограничения, наложени върху клетъчния живот. Ако клетката се опита да разшири повърхността си от даден размер, клетката ще стане нестабилна, тъй като ако надвиши определени размери, мембраната няма да може физически да ограничи масата на своята цитоплазма. Това ще доведе до разкъсване на мембраната и загуба на мембранния потенциал (от който клетката черпи своята животворна енергия). Също така, ако клетката надвишава определен диаметър, тогава процесът на дифузия не би позволил достатъчно кислород за метаболитна обработка да достигне централната част на клетката.
В резултат на това в историята на еволюцията първите 3 милиарда години са свързани предимно с появата и еволюцията на едноклетъчни организми (бактерии, водорасли, протозои). Произходът на многоклетъчните организми представлява алтернативен начин за разширяване на повърхността на мембраната (т.е. потенциал за осъзнаване) извън ограниченията на единичната клетка. Следователно, в това, което се равнява на трета фаза на еволюция, увеличаването на биологичната „компютърна“ мощ (осъзнаване) е резултат от същия процес на организиране в общности от по-висок ред. Вместо да повишава информираността за отделната еукариотна клетка, третата фаза на еволюцията се занимаваше с подреждането на отделни „чипове“ на еукариотни клетки в интерактивни възли.
Тази „фаза“ на еволюцията наподобява тази, настъпила в компютърната индустрия. Texas Instruments разработи чипа. Отделните чипове са сърцето на простия калкулатор. Въпреки това, когато много чипове бяха интегрирани и свързани помежду си, те осигуриха компютъра. Когато отделните компютри достигнаха максималната си мощност, суперкомпютрите бяха създадени чрез обединяване на много компютри в организирана „общност за паралелна обработка“. Отношението на бактерията към еукариотната клетка е равносилно на връзката на чипа с компютъра. Отношението на еукариотната клетка към многоклетъчния организъм е същото като отношението на отделния компютър към цялото в мрежа за паралелна обработка.
В компютрите „мощността“ на машината се измерва в BIT капацитет за обработка. В биологичните организми потенциалът за „осъзнаване“ се отразява в броя и разнообразието от интегрирани IMP комплекси. Тъй като количеството на IMPs е пряко свързано с „повърхността“, осъзнаването става фактор за споделените мембранни повърхности в многоклетъчните организми.
Помислете за връзката с повърхностната площ по отношение на развитието на мозъка на гръбначните животни. Първите гръбначни мозъци са малки, гладки сфери. Когато човек се изкачва по еволюционната стълба, мозъците стават по-големи и впоследствие се получава по-голяма повърхност от информацията на мозъчната повърхност, която произвежда характерните борозди (канали) и извивки (гънки) на по-напредналите мозъци. Интересното е, че когато се обмисля осведомеността по отношение на мозъчната повърхност, хората са на второ място, тъй като мозъците от морски свине и делфини имат по-голяма повърхност.
Предполага се, че подобно на едноклетъчните протозои, хората представляват друга еволюционна крайна точка, най-високото ниво на развитие за многоклетъчна биологична структура. В поредица от събития, излишни на тези, настъпили в предходните два цикъла на еволюцията, човешката еволюция продължи чрез процес на събиране и интегриране на индивиди в многоклетъчна общност. В тази общност, известна като човечност, ролята на всеки човек е аналогична на ролята на отделна клетка в човешката конструкция. В глобалния възглед за Земята като жив организъм (Gaia), хората са еквивалентите на IMP в повърхностната мембрана на Земята. Хората, като рецептори и ефектори, се събират и интегрират в шарени мрежи (общност) в земната обвивка, където получават „сигнали“ от околната среда и служат като превключващи механизми на мембранните порти на планетата.
Тези изследвания разкриват, че миналата и бъдещата еволюция могат да бъдат математически моделирани в структурата и разработването на клетъчната мембрана. Най-добрият начин за организиране на двумерната мембранна повърхност в триизмерно клетъчно пространство е използването на фрактална геометрия.
В природата повечето неорганични и органични структури изразяват „неправилен“ модел. Въпреки това, в очевидния хаос на нередностите, се установява, че неправилните структури се „повтарят“ редовно (т.е. те показват форма на ред). Например моделът на разклоняване в клонката на дървото често е същият модел на разклоняване, който се наблюдава върху ствола на дървото. Моделът на разклоняване на голяма река е идентичен с модела на разклоняване, наблюдаван по нейните по-малки притоци. Моделът на клоните по бронха е повторение на модела на клоните на дихателните пътища по най-малките бронхиоли. Подобни изображения на повтарящи се разклонения в тялото се разкриват в артериалните и венозните кръвоносни съдове и периферната нервна система.
Френският математик Беноа Манделброт е първият, който признава, че геометрията на много от обектите на Природата разкрива подобен модел, независимо от мащаба, върху който е изследван. Колкото повече увеличавате изображението, толкова повече структурата изглежда една и съща. Манделброт въвежда термина „самоподобни“, за да опише такива обекти. „През 1975 г. Манделброт въвежда думата фрактал като удобен етикет за неправилни и фрагментирани самоподобни форми.
Математиката на фракталите е удивително проста, тъй като се състои от повтаряне на „операции“ на събиране и умножение. В процеса резултатът от една операция се използва като вход за следващата операция; след това резултатът от тази операция се използва като вход за следващата операция и т.н. Математически всички „операции“ използват точно същата формула, но те трябва да се повторят милиони пъти, за да се получи решението. Ръчният труд и времето, необходими за попълване на фрактално уравнение, попречиха на математиците да разпознаят „силата“ на фракталната геометрия, докато появата на мощни компютри позволи на Беноа Манделброт да дефинира тази нова математика.
В класическата геометрия точките, линиите, повърхностите и кубичните структури представляват измерения, изразени съответно в цели числа, 0-, 1-, 2- и 3-измерения. Фракталната геометрия се използва за моделиране на изображения, които са по-„междуизмерни“. Например кривата линия е едноизмерен обект. Във фракталите кривата може да се завърти толкова зиг-заг, че всъщност се доближава до запълване на равнината. Ако кривата на линията е относително проста, тя е близо до измерение 1. Ако кривите на линията са толкова плътно опаковани, че запълват пространството, линията се доближава до 1-измерения. Фракталната геометрия запълва интервалите между цели бройни измерения.
Структурната характеристика на фракталите е сравнително лесна за разбиране: фракталите показват повторен модел на „структури“, вложени една в друга. Всяка по-малка структура е миниатюрна, но не непременно точна версия на по-голямата форма. Фракталната математика подчертава връзката между моделите, наблюдавани в цялото, и моделите, наблюдавани в части от това цяло. Например моделът на клонките на клон наподобява модела на разклоняване на крайниците на ствола. Фракталните обекти могат да бъдат представени от „кутия“ в „кутия“, в „кутия“, в „кутия“ и др. Ако някой знае параметрите на първата „кутия“, тогава автоматично се предоставя основната модел, който характеризира всички останали (по-големи или по-малки) „кутии“.
Както е описано в статията по Математика на човешкия живот от W. Allman (цитирано в справочния раздел), „Математическите изследвания на фракталите разкриват, че структурата на разклоняване в рамките на разклонението на фрактала представлява най-добрият начин да се получи най-голямата повърхност в рамките на три -измерно пространство ... " Докато клетъчната мембрана всъщност е триизмерен обект, нейният молекулярен бислой притежава постоянна и еднаква дебелина. По този начин дебелината на мембраната може да бъде пренебрегната и мембраната може да бъде моделирана като двумерна структура „повърхностна площ“. Тъй като еволюцията е моделиране на осъзнаването на мембраната (свързано с нейната повърхност), ефективността на моделирането, осигурена от фракталната геометрия, най-вероятно ще отразява избраната от Природата.
Въпросът не е да се забърквате в математиката на моделирането. Въпросът е, че фракталният модел предсказва, че еволюцията ще се основава на повторен модел на „структури“, вложени една в друга! По-конкретно, тъй като се отнася до концепция за фракталната еволюция, „моделът на цялото се вижда в частите на цялото“, това означава, че моделът на човека се вижда в частите (клетките) на човека. Ако човек е наясно с модела, по който клетката е функционално организирана, на него също се предоставя прозрение за организацията на човека. Помислете за това: фракталните изображения на по-малки структури са миниатюри на по-голямото цяло. Следователно, докато структурата на хората е самоподобен образ на собствените им клетки, структурата на човешката цивилизация би представлявала себеподобна структура на нейните компоненти хора!
Хората са фрактален образ на обществото, клетките са фрактален образ на човека. Всъщност клетките също са фрактален образ на обществото. Фракталната природа на еволюцията се подразбира допълнително от повтарящите се, еднакви модели, наблюдавани във всеки от трите цикъла на еволюция.