Evolució per BIT i peces: una introducció a l'evolució fractal
El límit de la membrana que envolta cada cèl·lula biològica comprèn la base estructural d'un sistema de processador biològic (vegeu l'article: Consciència cel·lular). Com a processador, els receptors de membrana de la cèl·lula escanegen l'entorn per senyals. Evidentment, l'entorn està ple de senyals. Si tots els senyals fossin audibles, l'entorn sonaria com un soroll aclaparador. Tanmateix, l'especificitat de recepció que és característica de cada receptor IMP, li permet distingir el seu senyal complementari de tot el soroll ambiental confus. La capacitat de la cèl·lula de filtrar selectivament la informació útil del soroll "caòtic" s'assembla a la funció de les transformacions de Fourier [processos de filtratge matemàtic que troben senyals dins del que sembla ser soroll] en entrades complexes per percebre freqüències específiques com a senyals informatius. Si bé l'entorn és en cert sentit "caòtic", amb centenars i milers de "senyals" expressats simultàniament, la cèl·lula només pot llegir selectivament aquells senyals que són rellevants per a la seva existència.
Segons les característiques funcionals i estructurals de la membrana cel·lular, cada cèl·lula individual (per exemple, l'ameba) representa un sistema de microordinador autoalimentat. Com en els ordinadors digitals, la potència o la capacitat de gestió de la informació de l'ordinador "cel·lular" està determinada pel nombre de BIT que pot gestionar. En els ordinadors, els BIT són complexos porta/canal, al processador de membrana, els BIT estan representats per complexos receptor/efector. Les molècules IMP que comprenen els BIT de la cèl·lula tenen paràmetres físics definits i, per tant, es poden "mesurar".
La dimensió de les proteïnes IMP és aproximadament la mateixa que el gruix de la membrana. Com que els IMP, per definició, resideixen dins de la bicapa de la membrana, les proteïnes només es poden disposar com una monocapa (és a dir, els IMP no es poden apilar els uns sobre els altres). Per utilitzar la metàfora del sandvitx de pa amb mantega i olives, només hi ha tantes olives que es poden posar en capes al pa. Per tenir més olives a l'entrepà cal fer servir una llesca de pa més gran. El mateix s'aplica a l'augment del nombre d'unitats de percepció: IMP a la membrana: com més IMP, més superfície de membrana necessària per contenir-les. La capacitat de processament d'informació de la cèl·lula (que es reflecteix en el nombre de proteïnes de percepció) està directament relacionada amb la superfície de la membrana.
El punt profund d'aquest discurs... La consciència biològica és una propietat mesurable, i ho és correlacionat directament amb la superfície de la membrana cel·lular. En conseqüència, la potència de càlcul d'una cèl·lula està determinada físicament per limitacions imposades a les dimensions cel·lulars.
El primera fase de l'evolució de la vida es refereix al desenvolupament i perfeccionament del 'xip' informàtic biològic individual, el bacteri primitiu. La mida d'aquests organismes primitius està limitada pel fet que tenen un esquelet exterior rígid, derivat dels polisacàrids del glicocàlix. La matriu produïda per la reticulació de les molècules de sucre d'aquesta "capa" proporciona l'"esquelet" protector de la cèl·lula, anomenat càpsula. La càpsula suporta físicament i protegeix la fina membrana de la cèl·lula de trencar-se sota les soques de pressió osmòtica.
La pressió osmòtica és la força generada pel desig de l'aigua de moure's a través d'una membrana per "equilibrar" la concentració de partícules a cada costat de la barrera de membrana. El citoplasma de la cèl·lula està ple de partícules en comparació amb l'aigua on viuen les cèl·lules. L'aigua del medi extern passarà per la membrana per diluir la concentració de partícules citoplasmàtiques. La cèl·lula s'inflaria amb aigua i la pressió faria que la delicada bicapa de membrana es trencaria, matant la cèl·lula. L'exoesquelet del glicocàlix resisteix la pressió osmòtica que amenaça la vida.
Els bacteris són l'equivalent cel·lular dels invertebrats (animals que no tenen un esquelet de suport intern (per exemple, cloïsses, insectes, meduses). Tot i que l'esquelet protegeix el bacteri, la seva naturalesa rígida també el limita. La mida de la cèl·lula bacteriana està limitada per la seva mida externa. La limitació de la mida restringeix la quantitat de membrana que la cèl·lula pot tenir. La superfície de la membrana és proporcional a la consciència, segons el nombre d'IMP que pot contenir de percepció que pot contenir la membrana.
De fet, la major part de la superfície de la membrana del bacteri s'utilitza per allotjar els complexos IMP necessaris necessaris per a la supervivència cel·lular. Tanmateix, cada bacteri també és capaç d'aprendre uns sis "senyals" ambientals addicionals. Per exemple, un bacteri pot adquirir la capacitat de resistir un antibiòtic introduït al medi. Ho fa creant un receptor de superfície que s'uneix i inhibeix les molècules de l'antibiòtic. El nou receptor és fonamentalment l'equivalent a una proteïna "anticossos" que les nostres cèl·lules immunitàries creen per neutralitzar un antigen invasiu.
La creació d'un nou receptor, per definició, implica que hi ha d'haver un nou gen creat per recordar el codi d'aminoàcids d'aquesta proteïna. En els bacteris, aquests "nous" memòria els gens estan presents com a petits cercles d'ADN anomenats plasmidis. Els plasmidis no estan units físicament al cromosoma que proporciona l'herència de la cèl·lula i floten lliurement al citoplasma. Els bacteris són capaços de crear una mitjana d'uns sis diferent plasmidis, cadascun derivat d'una "experiència" d'aprenentatge única. La limitació del nombre de plasmidis que posseeix la cèl·lula no es deu a la incapacitat de fabricar ADN. Perquè el bacteri pot fer milers de còpies de qualsevol dels plasmidis individuals que posseeix. Les limitacions han d'estar relacionades amb el fet que cada complex de percepció de proteïnes "nou" requereix una unitat de superfície per expressar les seves funcions. La incapacitat d'expandir la seva membrana (és a dir, la superfície) limita la capacitat del bacteri per adquirir noves percepcions (consciència).
Com més consciència més gran serà la capacitat de sobreviure. Les limitacions a les persones que augmentaven la seva consciència van provocar que els bacteris visquessin en comunitats poc unides. Si un bacteri individual pot "aprendre" sis fets sobre el medi ambient, més d'un centenar de bacteris col·lectivament són capaços de ser conscients de 600 fets. Els bacteris van desenvolupar mecanismes per transferir còpies dels seus plasmidis a altres bacteris de la comunitat. En transferir còpies del seu ADN "apres", comparteixen la seva "consciència" amb la comunitat. Els bacteris poden transferir un plasmidi a un altre individu. El bacteri receptor pot utilitzar la "consciència" del plasmidi donat durant la seva vida, però generalment no pot transmetre còpies del plasmidi a la seva descendència de cèl·lules filles.
Els bacteris posseeixen fines projeccions semblants a un tentacle que s'estenen des de la seva superfície exterior anomenades pili. Quan els pili de dos bacteris es toquen, les membranes del pilus es poden fusionar momentàniament, unint el citoplasma de les dues cèl·lules. En el moment de la fusió, els dos bacteris poden intercanviar còpies dels seus plasmidis. Els bacteris també són capaços d'acumular l'ADN flotant lliurement a l'entorn, de manera que els plasmidis alliberats a l'entorn, com es pot produir quan una cèl·lula mor i el seu citoplasma es filtra, poden ser eliminats per altres cèl·lules. Tanmateix, l'entorn és dur amb l'ADN flotant lliurement i els plasmidis es descomponen fàcilment. Un tercer mitjà més eficaç per distribuir plasmidis de "conscienciació" va sorgir quan els bacteris van aprendre a empaquetar el seu ADN plasmidi en closques de proteïnes protectores, creant virus. Els virus contenen "informació" que s'allibera a altres cèl·lules individuals del medi. Alguns virus maten les cèl·lules que els recullen, mentre que altres protegeixen les cèl·lules que "infecten". De vegades la "informació" és una afirmació de la vida, de vegades és letal.
Les comunitats bacterianes van desenvolupar un mitjà per augmentar la seva supervivència mitjançant el desplegament d'una matriu extracel·lular de polisacàrids per embolicar totes les cèl·lules de la comunitat i "protegir-les" dels estralls del medi ambient salvatge. Els bacteris individuals van poder moure's per canals "regats" dins de la matriu. Els canals també van permetre una comunicació de materials extracel·lulars i molècules d'informació, fet que va permetre una integració comunitària entre tots els membres de la comunitat. La comunitat cel·lular pot estar poblada amb una varietat d'espècies bacterianes. Per exemple, les formes de bacteris anaeròbics que temen l'oxigen poden viure a la part inferior d'una comunitat, mentre que els bacteris aeròbics amants de l'oxigen estan presents als nivells superiors de la mateixa comunitat. Els bacteris de la comunitat poden intercanviar fàcilment el seu ADN i, en fer-ho, permeten als ciutadans cel·lulars adquirir funcions especialitzades i diferenciades.
Aquestes comunitats bacterianes encaixades en matriu s'anomenen biofilms (vegeu la il·lustració següent). Els biofilms han esdevingut molt importants ja que ara es reconeix que protegeixen les comunitats bacterianes dels antibiòtics. Els bacteris que formen les cavitats dentals són en realitat comunitats de biofilm, que resisteixen els nostres esforços per netejar-los de les nostres dents. La naturalesa resistent i protectora dels biofilms va permetre que aquestes comunitats fossin les primeres formes de vida a abandonar l'oceà i viure a la terra.
Fa molts anys, la biòloga Lynn Margulis va fundar el concepte que els mitocondris eren organismes semblants a bacteris que envaïen el citoplasma de cèl·lules més avançades que contenen nuclis anomenades eucariotes. Al principi, les seves idees van ser ridiculitzades per l'establishment, però amb els anys s'ha convertit en una creença àmpliament acceptada. Curiosament, la comprensió de la naturalesa comunitària dels bacteris en els biofilms ofereix una altra interpretació.
La micrografia de l'esquerra il·lustra un exemple de biofilm en un pulmó humà. El cúmul bacterià de pseudomonas infecciós està envoltat en una matriu extracel·lular de tinció fosca (vegeu la fletxa) que inclou un biofilm. L'encapsulació dins de la matriu protegeix els bacteris dels esforços del sistema immunitari per destruir-los. La matriu, formada principalment per hidrats de carboni, també pot contenir proteïnes musculars, actina i miosina, que es troben unides a les superfícies exteriors d'alguns bacteris. Les proteïnes externes d'actina i miosina permeten que els bacteris es moguin dins de la matriu de la pel·lícula.
La micrografia de la dreta és la mateixa imatge, però amb una "membrana" dibuixada al voltant de la perifèria de la pel·lícula. Una membrana al voltant de la pel·lícula permetria a la comunitat bacteriana controlar finament la composició i el caràcter del seu entorn, un desenvolupament necessari que milloraria la seva supervivència. Aquesta pel·lícula modificada s'assembla a l'anatomia citològica de la cèl·lula eucariota evolutivament més avançada. En aquest cas, els bacteris representarien els orgànuls de la cèl·lula i la matriu de la pel·lícula representaria el citoplasma ric en citoesquelètic entre els orgànuls. Curiosament, el citoplasma dels eucariotes posseeix molts dels mateixos components estructurals que caracteritzen la matriu del biofilm. Això és especialment cert per a l'actina i la miosina que permeten que els bacteris es moguin a la pel·lícula de la mateixa manera que els orgànuls es mouen al citoplasma.
El punt d'aquesta discussió és que la cèl·lula eucariota més avançada, en lloc de ser una entitat única evolucionada, podria representar l'evolució d'una comunitat bacteriana. Una cèl·lula representaria una comunitat finament afinada de procariotes que s'han diferenciat en orgànuls. Aquesta hipòtesi dóna suport a les creences dels biòlegs pleomòrfics, un petit però ferm grup de científics que creuen que els microorganismes relacionats amb malalties poden representar formes de vida sorgides, sorgides, de cèl·lules moribundes. Té sentit.
Independentment, la segona fase de l'evolució va veure l'origen de la cèl·lula eucariota (nucleada) més sofisticada. Tanmateix, l'evolució va cessar quan la cèl·lula nucleada va assolir la seva mida específica màxima, ja que hi ha limitacions físiques imposades a la vida cel·lular. Si la cèl·lula intenta expandir la seva superfície més enllà d'una mida determinada, la cèl·lula es tornarà inestable, ja que si supera certes dimensions, la membrana no serà físicament capaç de restringir la massa del seu citoplasma. Això comportarà una ruptura de la membrana i una pèrdua del potencial de membrana (del qual la cèl·lula treu la seva energia vital). A més, si la cèl·lula supera un cert diàmetre, el procés de difusió no permetria que l'oxigen suficient per al processament metabòlic arribés a la part central de la cèl·lula.
Com a resultat, en la història de l'evolució, els primers 3 milions d'anys es van associar principalment amb l'aparició i l'evolució dels organismes unicel·lulars (bacteris, algues, protozous). Va ser l'origen dels organismes pluricel·lulars que va representar una forma alternativa d'ampliar la superfície de la membrana (és a dir, el potencial de consciència) més enllà de les limitacions de la cèl·lula única. En conseqüència, en el que va suposar una tercera fase de l'evolució, un augment del poder (consciència) biològic de l'"ordinador" va resultar d'un mateix procés d'organització en comunitats d'ordre superior. En lloc d'augmentar la consciència de la cèl·lula eucariota individual, la tercera fase de l'evolució es va relacionar amb l'ordenació dels "xips" de cèl·lules eucariotes individuals en conjunts interactius.
Aquesta "fase" de l'evolució s'assembla a la que va passar a la indústria informàtica. Texas Instruments va desenvolupar el xip. Les fitxes individuals són el cor de la calculadora senzilla. No obstant això, quan es van integrar i connectar molts xips, van proporcionar l'ordinador. Quan els ordinadors individuals van assolir la seva potència màxima, els superordinadors es van crear reunint molts ordinadors en una "comunitat" organitzada de processament paral·lel. La relació del bacteri amb la cèl·lula eucariota equival a la relació del xip amb l'ordinador. La relació de la cèl·lula eucariota amb l'organisme pluricel·lular és la mateixa que la relació d'un ordinador individual amb el conjunt en una xarxa de processament paral·lel.
En els ordinadors, la "potència" de la màquina es mesura en capacitats de manipulació de BIT. En els organismes biològics, el potencial de "consciència" es reflecteix en el nombre i varietat de complexos IMP integrats. Com que la quantitat d'IMP està directament relacionada amb la "àrea de superfície", la consciència es converteix en un factor de superfícies de membrana compartides en els organismes pluricel·lulars.
Considereu aquesta relació de superfície pel que fa a l'evolució del cervell dels vertebrats. Els primers cervells dels vertebrats són esferes petites i llises. A mesura que un ascendeix per l'escala evolutiva, els cervells es fan més grans i posteriorment es deriva més superfície dels plegaments de la superfície del cervell que produeixen els solcs (solcs) i els girs (plecs) característics dels cervells més avançats. Curiosament, quan es té en compte la consciència en termes de superfície cerebral, els humans ocupen el segon lloc, ja que els cervells de marsopa i dofins tenen una superfície més gran.
Es proposa que, de manera similar als protozous unicel·lulars, els éssers humans representen un altre punt final evolutiu, el nivell més alt de desenvolupament d'una estructura biològica pluricel·lular. En una sèrie d'esdeveniments redundants als que es van produir en els dos cicles evolutius anteriors, l'evolució humana va continuar mitjançant un procés d'assemblatge i integració d'individus en una comunitat multicel·lular. En aquesta comunitat coneguda com a humanitat, el paper de cada persona és anàleg al d'una sola cèl·lula en la construcció humana. En la visió global de la Terra com a organisme viu (Gaia), els humans són els equivalents IMP a la membrana superficial de la Terra. Els humans, com a receptors i efectors, s'assemblen i s'integren en xarxes estampades (comunitat) a l'embolcall de la Terra on reben "senyals" ambientals i serveixen com a mecanismes de commutació de les portes de membrana del planeta.
Aquests estudis revelen que l'evolució passada i futura es pot modelar matemàticament en l'estructura i l'elaboració de la membrana cel·lular. La millor manera d'organitzar la superfície de la membrana bidimensional en un espai cel·lular tridimensional és utilitzar la geometria fractal.
A la natura, la majoria d'estructures inorgàniques i orgàniques expressen un patró "irregular". Tanmateix, dins de l'aparent caos de les irregularitats, hom troba que les estructures irregulars es repeteixen "regularment" (és a dir, mostren una forma d'ordre). Per exemple, el patró de ramificació a la branca d'un arbre sovint és el mateix patró de ramificació que s'observa al tronc de l'arbre. El patró de ramificació d'un riu important és idèntic al patró de ramificació observat al llarg dels seus afluents més petits. El patró de branques al llarg dels bronquis és una reiteració del patró de branques de les vies respiratòries al llarg dels bronquíols més petits. Imatges similars de patrons de ramificació reiterats al cos es revelen als vasos sanguinis arterials i venosos i al sistema nerviós perifèric.
El matemàtic francès Benoit Mandelbrot va ser el primer a reconèixer que la geometria de molts dels objectes de la natura va revelar un patró similar independentment de l'escala en què es va examinar. Com més amplieu la imatge, més semblarà l'estructura. Mandelbrot va introduir el terme "auto-similar" per descriure aquests objectes. "L'any 1975, Mandelbrot va encunyar la paraula fractal com una etiqueta convenient per a formes autosimilars irregulars i fragmentades.
La matemàtica dels fractals és increïblement simple, ja que consisteix a repetir "operacions" de sumes i multiplicacions. En el procés, el resultat d'una operació s'utilitza com a entrada per a l'operació posterior; el resultat d'aquesta operació s'utilitza com a entrada per a la següent operació, i així successivament. Matemàticament, totes les "operacions" utilitzen exactament la mateixa fórmula, però, s'han de repetir milions de vegades per obtenir la solució. El treball manual i el temps necessari per completar una equació fractal van impedir que els matemàtics reconeguessin el "poder" de la geometria fractal fins que l'arribada dels ordinadors potents va permetre a Benoit Mandelbrot definir aquesta nova matemàtica.
En la geometria clàssica, els punts, les línies, les àrees superficials i les estructures cúbiques representen dimensions expressades en nombres enters, 0, 1, 2 i 3 dimensions, respectivament. La geometria fractal s'utilitza per modelar imatges que són més "interdimensionals". Per exemple, una línia corba és un objecte unidimensional. En els fractals, la corba pot fer ziga-zaga tant que en realitat s'acosta a omplir el pla. Si la corba de la línia és relativament simple, s'acosta a una dimensió d'1. Si les corbes de la línia estan tan compactes que omplen l'espai, la línia s'aproxima a les 1 dimensions. La geometria fractal omple els espais entre les dimensions dels nombres sencers.
Una característica estructural dels fractals és relativament senzill d'entendre: els fractals presenten un patró reiterat d'"estructures" imbricades entre si. Cada estructura més petita és una miniatura, però no necessàriament una versió exacta de la forma més gran. Les matemàtiques fractals emfatitzen la relació entre els patrons vists en el tot i els patrons vists en parts d'aquest tot. Per exemple, el patró de branques d'una branca s'assembla al patró de les extremitats que es ramifiquen del tronc. Els objectes fractals es poden representar amb una "caixa" dins d'una "caixa", dins d'una "caixa", dins d'una "caixa", etc. Si un coneix els paràmetres de la primera "caixa", llavors se li proporciona automàticament el bàsic. patró que caracteritza totes les altres "caixes" (més grans o més petites).
Tal com es descriu a l'article Mathematics of Human Life de W. Allman (citat a la secció de referència), "Els estudis matemàtics dels fractals revelen que l'estructura de ramificació dins de la ramificació d'un fractal representa la millor manera d'aconseguir la màxima superfície dins d'un tres espai dimensional...”. Si bé la membrana cel·lular és en realitat un objecte tridimensional, la seva bicapa molecular posseeix un gruix constant i uniforme. Com a tal, el gruix de la membrana es pot ignorar i la membrana es pot modelar com una estructura d'"àrea de superfície" bidimensional. Atès que l'evolució és el modelatge de la consciència de la membrana (relacionada amb la seva superfície), l'eficiència del modelatge proporcionada per la geometria fractal probablement reflectiria la tria escollida per la natura.
La qüestió és no deixar-se atrapar per les matemàtiques del modelatge. La qüestió és que el model fractal prediu que l'evolució es basarà en un patró reiterat de "estructures" niades les unes dins les altres! Més concretament, pel que fa a un concepte d'evolució fractal, "el patró del tot es veu a les parts del tot", això vol dir que el patró de l'humà es veu a les parts (cèl·lules) de l'humà. Si un és conscient del patró pel qual s'organitza funcionalment una cèl·lula, també se li proporciona informació sobre l'organització d'un humà. Tingueu en compte això: les imatges fractals d'estructures més petites són miniatures del tot més gran. Per tant, mentre que l'estructura dels humans és una imatge autosimilar de les seves pròpies cèl·lules, l'estructura de la civilització humana representaria una estructura autosimilar dels seus components humans!
Els humans som una imatge fractal de la societat, les cèl·lules són una imatge fractal de l'ésser humà. De fet, les cèl·lules també són una imatge fractal de la societat. La naturalesa fractal de l'evolució està implicada, a més, pels patrons reiterats i els mateixos observats en cadascun dels tres cicles d'evolució.