Evoluce podle kousků a kousků: Úvod do fraktální evoluce
Hranice membrány obklopující každou biologickou buňku obsahuje strukturální základ systému biologického procesoru (viz článek: Buněčné vědomí). Jako procesor skenují buněčné membránové receptory signály. Je zřejmé, že prostředí je zaplaveno signály. Pokud by byly všechny signály slyšitelné, prostředí by znělo jako řev hluku. Specifičnost příjmu, která je charakteristická pro každý receptor IMP, mu však umožňuje odlišit jeho komplementární signál od veškerého rušivého okolního hluku. Schopnost buňky selektivně filtrovat užitečné informace z „chaotického“ šumu se podobá funkci Fourierových transformací [matematické filtrační procesy, které nacházejí signály v tom, co se jeví jako šum] na komplexních vstupech, aby vnímaly konkrétní frekvence jako informační signály. Zatímco prostředí je v jistém smyslu „chaotické“ se stovkami a tisíci současně vyjádřených „signálů“, buňka může selektivně číst pouze ty signály, které jsou relevantní pro její existenci.
Na základě funkčních a strukturních vlastností buněčné membrány představuje každá jednotlivá buňka (např. Améba) a samostatně napájený mikropočítačový systém. Stejně jako v digitálních počítačích je výkon nebo kapacita zpracování „celulárního“ počítače určována počtem jeho BIT, které dokáže spravovat. V počítačích jsou BIT komplexy brány / kanálu, v membránovém procesoru jsou BIT reprezentovány komplexy receptor / efektor. Molekuly IMP obsahující BIT buňky mají definované fyzikální parametry, a proto je lze „měřit“.
Rozměr proteinů IMP je přibližně stejný jako tloušťka membrány. Vzhledem k tomu, že IMP jsou podle definice umístěny uvnitř dvojvrstvy membrány, mohou být proteiny uspořádány pouze jako monovrstva (to znamená, že IMP nelze na sebe skládat). Chcete-li použít metaforu chleba a másla a olivového sendviče, existuje jen tolik oliv, které lze na chleba vrstvit. Mít více oliv v sendviči vyžaduje použití většího krajíce chleba. Totéž platí pro zvýšení počtu jednotek vnímání - IMP v membráně: čím více IMP - tím větší plocha povrchu membrány je nutná k jejich udržení. Schopnost buňky zpracovat informace (odráží se v počtu vnímacích proteinů) je přímo spojena s povrchovou oblastí membrány.
Hluboký bod tohoto diskurzu ... Biologické vědomí je měřitelná vlastnost a je přímo korelované s povrchem buněčné membrány. V důsledku toho je výpočetní výkon buňky fyzicky určen omezeními kladenými na buněčné rozměry.
Projekt první fáze evoluce života se týkalo vývoje a zdokonalování individuálního biologického počítačového „čipu“, primitivní bakterie. Velikost těchto primitivních organismů je omezena skutečností, že mají tuhou vnější kostru odvozenou od polysacharidů glykokalyxu. Matrice vytvořená zesíťováním molekul cukru v tomto „plášti“ zajišťuje ochrannou „kostru“ buňky, která se nazývá kapsle. Kapsle fyzicky podporuje a chrání tenkou membránu buňky před prasknutím pod tlakem osmotického tlaku.
Osmotický tlak je síla generovaná touhou vody pohybovat se přes membránu, aby „vyrovnala“ koncentraci částic na každé straně membránové bariéry. Cytoplazma buňky je plná částic ve srovnání s vodou, ve které buňky žijí. Voda z vnějšího prostředí projde membránou, aby zředila koncentraci cytoplazmatických částic. Buňka by nabobtnala vodou a tlak by způsobil prasknutí jemné membránové dvojvrstvy a buňku zabil. Exoskeleton glykokalyxu odolává život ohrožujícímu osmotickému tlaku.
Bakterie jsou buněčným ekvivalentem bezobratlých (zvířata, která nemají vnitřní podpůrnou kostru (např. Škeble, hmyz, želé ryby). I když kostra bakterii chrání, omezuje ji její tuhá povaha. Velikost bakteriální buňky je omezena vnějším kapsle. Omezení velikosti omezuje množství membrány, kterou může buňka mít. Membránový povrch je úměrný povědomí na základě počtu IMP, které může obsahovat. Bakteriální kapsle omezuje vývoj buňky, protože existuje limit počtu jednotek vnímání, které může membrána obsahovat.
Ve skutečnosti se většina povrchu membrány bakterie používá k uložení nezbytných komplexů IMP potřebných pro přežití buněk. Každá bakterie je však také schopná se naučit o dalších šesti „environmentálních“ signálech. Například bakterie může získat schopnost odolávat antibiotiku zavedenému do prostředí. Dělá to tak, že vytvoří povrchový receptor, který váže a inhibuje molekuly antibiotika. Nový receptor je v zásadě ekvivalentem proteinové „protilátky“, kterou naše imunitní buňky vytvářejí k neutralizaci invazivního antigenu.
Vytvoření nového receptoru podle definice znamená, že musí být vytvořen nový gen, který si pamatuje kód aminokyseliny pro tento protein. V bakteriích jsou tyto „nové“ paměť geny jsou přítomny jako malé kruhy DNA zvané plazmidy. Plazmidy nejsou fyzicky připojeny k chromozomu poskytujícímu dědičnost buněk a volně se vznášejí v cytoplazmě. Bakterie jsou schopny vytvořit průměrně asi šest odlišný plazmidy, z nichž každý pochází z jedinečné „učební zkušenosti“. Omezení počtu plazmidů, které buňka vlastní, není způsobeno neschopností vytvářet DNA. Bakterie totiž může vytvořit tisíce kopií kteréhokoli z jednotlivých plazmidů, které vlastní. Omezení musí souviset se skutečností, že každý „nový“ komplex vnímání bílkovin vyžaduje pro vyjádření svých funkcí jednotku povrchu. Neschopnost rozšířit svou membránu (tj. Povrch) omezuje schopnost bakterie získat nové vnímání (vědomí).
Čím více povědomí, tím větší schopnost přežít. Omezení jednotlivců zvyšujících jejich povědomí vedla k tomu, že bakterie žijí ve volně pletených komunitách. Pokud se jednotlivá bakterie dokáže „dozvědět“ šest faktů o životním prostředí, pak si stovka bakterií může být vědoma 600 faktů. Bakterie vyvinuli mechanismy pro přenos kopií svých plazmidů na jiné bakterie v komunitě. Přenosem kopií své „naučené“ DNA sdílejí své „povědomí“ s komunitou. Bakterie mohou přenést plazmid na jiného jedince. Bakterie příjemce může během svého života používat „povědomí“ darovaného plazmidu, ale obecně nemůže předat kopie plazmidu svému potomkovi z dceřiné buňky.
Bakterie mají jemné výstupky podobné chapadlům, které se táhnou od jejich vnějšího povrchu zvaného pili. Když se pili dvou bakterií dotknou, mohou se pilusové membrány na okamžik spojit a spojit cytoplazmu obou buněk dohromady. V okamžiku fúze si tyto dvě bakterie mohou vyměňovat kopie svých plazmidů. Bakterie jsou také schopné izolovat plovoucí DNA v prostředí, takže plazmidy uvolňované do prostředí, které by mohly nastat, když buňka zemře a její cytoplazma prosakuje, mohou být jinými buňkami zachyceny. Prostředí je však na volně plovoucí DNA tvrdé a plazmidy se snadno rozpadají. Třetí, účinnější způsob distribuce „povědomí“ plazmidů vznikl, když se bakterie naučily zabalit svou plazmidovou DNA do ochranných proteinových obalů a vytvářet viry. Viry obsahují „informace“, které se uvolňují do dalších jednotlivých buněk v prostředí. Některé viry zabíjejí buňky, které je zachycují, zatímco jiné viry chrání buňky, které „infikují“. Někdy „informace“ potvrzují život, jindy smrtelné.
Bakteriální komunity se vyvinuly jako prostředek ke zvýšení jejich přežití nasazením polysacharidové extracelulární matrice tak, aby obalila všechny buňky v komunitě a „chránila“ je před pustošením divokého prostředí. Jednotlivé bakterie se dokázaly pohybovat „zavlažovanými“ kanály v matrici. Kanály také umožňovaly komunikaci extracelulárních materiálů a informačních molekul, což poskytovalo společnou integraci mezi všemi členy komunity. Buněčná komunita může být osídlena řadou bakteriálních druhů. Například anaerobní formy bakterií, které se obávají kyslíku, mohou žít na dně komunity, zatímco aerobní bakterie milující kyslík jsou přítomny ve vyšších úrovních stejné komunity. Bakterie v komunitě jsou snadno schopné vyměňovat si své DNA, a přitom umožňují buněčným občanům získávat specializované, diferencované funkce.
Tyto bakteriální komunity uzavřené v matrici se nazývají biofilmy (viz obrázek níže). Biofilmy se staly velmi důležitými, protože je nyní známo, že chrání bakteriální společenství před antibiotiky. Bakterie, které tvoří zubní dutiny, jsou ve skutečnosti společenstvím biofilmu, která odolávají našemu úsilí je očistit od zubů. Odporová a ochranná povaha biofilmů umožnila těmto komunitám být prvními formami života, které opustily oceán a žily na zemi.
Před mnoha lety biolog Lynn Margulis založil koncept, že mitochondrie jsou bakteriální organizmy, které napadly cytoplazmu pokročilejších buněk obsahujících jádro nazývaných eukaryoty. Zpočátku se její myšlenky vysmívaly zřízení, ale v průběhu let se z ní stala široce přijímaná víra. Je zajímavé, že porozumění společné povaze bakterií v biofilmech nabízí další interpretaci.
Mikrofotografie vlevo ilustruje příklad biofilmu v lidské plíci. Infekční bakteriální shluk pseudomonas je uzavřen v tmavě zbarvené extracelulární matrici (viz šipka) obsahující biofilm. Zapouzdření v matrici chrání bakterie před úsilím imunitního systému zničit je. Matrice, převážně vyrobená ze sacharidů, může také obsahovat svalové bílkoviny, aktin a myosin, které jsou vázány na vnější povrchy některých bakterií. Vnější proteiny aktinu a myosinu umožňují bakteriím pohyb v matrici filmu.
Mikrofotografie vpravo je stejný obrázek, ale s „membránou“ nakreslenou po obvodu filmu. Membrána kolem filmu by umožnila bakteriální komunitě jemně řídit složení a charakter jejich prostředí, což je nezbytný vývoj, který by zlepšil jejich přežití. Tento upravený film připomíná cytologickou anatomii evolučně pokročilejší eukaryotické buňky. V tomto případě by bakterie představovaly organely buňky a matice filmu by představovala cytoplazmu bohatou na cytoskelety mezi organelami. Je zajímavé, že cytoplazma eukaryot má mnoho stejných strukturních složek, které charakterizují matici biofilmu. To platí zejména pro aktin a myosin, které umožňují bakteriím pohybovat se ve filmu stejným způsobem, jakým se organely pohybují v cytoplazmě.
Smyslem této diskuse je, že pokročilejší eukaryotická buňka, spíše než vyvinutá samostatná entita, může představovat vývoj bakteriální komunity. Buňka by představovala jemně vyladěné společenství prokaryot, které se diferencovalo na organely. Taková hypotéza podporuje víru pleomorfních biologů, malé, ale neochvějné skupiny vědců, kteří se domnívají, že mikroorganismy spojené s chorobami mohou představovat formy života, které vznikly, opuštěné, z umírajících buněk. Dává smysl.
Bez ohledu na to, druhá fáze evoluce viděla původ sofistikovanější eukaryotické (jaderné) buňky. Vývoj však přestal, když jaderná buňka dosáhla své maximální specifické velikosti, protože na buněčný život jsou kladena fyzická omezení. Pokud se buňka pokusí rozšířit svůj povrch nad danou velikost, buňka se stane nestabilní, protože pokud přesáhne určité rozměry, membrána nebude fyzicky schopna omezit hmotu své cytoplazmy. To povede k prasknutí membrány a ke ztrátě membránového potenciálu (ze kterého buňka čerpá svou životodárnou energii). Také pokud buňka přesahuje určitý průměr, pak proces difúze neumožňuje dostatek kyslíku pro metabolické zpracování k dosažení střední části buňky.
Výsledkem je, že v historii evoluce byly první 3 miliardy let primárně spojeny s výskytem a vývojem jednobuněčných organismů (bakterie, řasy, prvoky). Byl to původ mnohobuněčných organismů, který představoval alternativní způsob, jak rozšířit povrch membrány (tj. Povědomí o potenciálu) za hranice jedné buňky. V důsledku toho v době, která se rovnala třetí fázi evoluce, vyústil nárůst biologické „počítačové“ síly (povědomí) ze stejného procesu organizování do komunit vyššího řádu. Spíše než zvyšování povědomí o jednotlivých eukaryotických buňkách se třetí fáze evoluce týkala uspořádání „čipů“ jednotlivých eukaryotických buněk do interaktivních sestav.
Toto „fázování“ evoluce se podobá tomu, které nastalo v počítačovém průmyslu. Společnost Texas Instruments vyvinula čip. Jednotlivé čipy jsou srdcem jednoduché kalkulačky. Když však bylo integrováno a zapojeno mnoho čipů, poskytly počítač. Když jednotlivé počítače dosáhly svého maximálního výkonu, superpočítače byly vytvořeny sestavením mnoha počítačů do organizované „komunity“ s paralelním zpracováním. Vztah bakterie k eukaryotické buňce se rovná vztahu čipu k počítači. Vztah eukaryotické buňky k mnohobuněčnému organismu je stejný jako vztah jednotlivého počítače k celku v síti s paralelním zpracováním.
V počítačích se „výkon“ stroje měří v BIT manipulačních kapacitách. U biologických organismů se potenciál „uvědomění“ odráží v počtu a rozmanitosti integrovaných komplexů IMP. Vzhledem k tomu, že množství IMP je přímo spojeno s „povrchovou oblastí“, stává se povědomí faktorem sdílených povrchů membrán v mnohobuněčných organismech.
Zvažte tento vztah plochy povrchu s ohledem na vývoj mozku obratlovců. První mozek obratlovců jsou malé, hladké koule. Jak jeden stoupá po evolučním žebříčku, mozky se zvětšují a větší povrchová plocha se následně odvozuje od nahromadění mozkového povrchu, které produkují charakteristické sulci (drážky) a gyri (záhyby) pokročilejších mozků. Je zajímavé, že když uvažujeme o povědomí z hlediska povrchu mozku, jsou lidé na druhém místě, protože mozek sviňuch a delfínů má větší povrch.
Předpokládá se, že podobně jako jednobuněčné prvoky představují lidské bytosti další evoluční koncový bod, nejvyšší úroveň vývoje pro mnohobuněčnou biologickou strukturu. V sérii událostí nadbytečných k událostem, ke kterým došlo v předchozích dvou cyklech evoluce, lidská evoluce pokračovala procesem shromažďování a integrace jednotlivců do vícebuněčné komunity. V této komunitě známé jako lidstvo je role každého člověka analogická s rolí jedné buňky v lidském konstruktu. V globálním pohledu na Zemi jako živý organismus (Gaia) jsou lidé ekvivalentem IMP v zemské povrchové membráně. Lidé se jako receptory a efektory shromažďují a integrují do vzorovaných sítí (komunit) v obálce Země, kde přijímají environmentální „signály“ a slouží jako spínací mechanismy brán membránové planety.
Tyto studie ukazují, že minulou a budoucí evoluci lze matematicky modelovat ve struktuře a zpracování buněčné membrány. Nejlepší způsob, jak uspořádat dvourozměrný povrch membrány do trojrozměrného buněčného prostoru, je použít fraktální geometrii.
V přírodě většina anorganických a organických struktur vyjadřuje „nepravidelný“ vzor. Ve zjevném chaosu nesrovnalostí však člověk zjistí, že nepravidelné struktury se „pravidelně“ opakují (tj. Vykazují určitý řád). Například vzor větvení ve větvičce stromu je často stejný vzor větvení, jaký je pozorován na kmeni stromu. Schéma větvení hlavní řeky je identické se schématem větvení pozorovaným podél jejích menších přítoků. Vzor větví podél průdušek je opakováním vzoru větví dýchacích cest podél nejmenších průdušek. Podobné obrazy opakovaných vzorů větvení v těle jsou odhaleny v arteriálních a venózních krevních cévách a periferním nervovém systému.
Francouzský matematik Benoit Mandelbrot jako první poznal, že geometrie mnoha přírodních objektů odhalila podobný vzor bez ohledu na měřítko, na kterém byla zkoumána. Čím více obrázek zvětšíte, tím více bude struktura vypadat stejně. Mandelbrot k popisu takových objektů zavedl pojem „sebepodobný“. "V roce 1975 vytvořil Mandelbrot slovo fraktál jako vhodný štítek pro nepravidelné a roztříštěné podobné tvary."
Matematika fraktálů je neuvěřitelně jednoduchá v tom, že se skládá z opakování „operací“ sčítání a násobení. V procesu je výsledek jedné operace použit jako vstup pro následující operaci; výsledek této operace se poté použije jako vstup pro další operaci atd. Matematicky všechny „operace“ používají přesně stejný vzorec, pro získání řešení je však nutné je milionkrát opakovat. Ruční práce a čas potřebný k dokončení fraktální rovnice zabránil matematikům rozpoznat „sílu“ fraktální geometrie, dokud příchod výkonných počítačů neumožnil Benoitovi Mandelbrotovi definovat tuto novou matematiku.
V klasické geometrii představují body, čáry, povrchové plochy a kubické struktury rozměry vyjádřené v celých celých číslech, 0, 1, 2 a 3 rozměry. Fraktální geometrie se používá k modelování obrazů, které jsou více „interdimenzionální“. Například zakřivená čára je jednorozměrný objekt. U fraktálů může křivka cik-cak natolik, že se skutečně blíží vyplnění roviny. Pokud je křivka čáry relativně jednoduchá, je blízká dimenzi 1. Pokud jsou křivky čáry tak těsně zabalené, že vyplňují prostor, čára se blíží 1rozměrům. Fraktální geometrie vyplňuje mezery mezi rozměry celého čísla.
Strukturální charakteristika fraktálů je poměrně jednoduchá na pochopení: fraktály vykazují opakovaný vzorec „struktur“ vnořených do sebe. Každá menší struktura je miniatura, ale ne nutně přesná verze větší formy. Fraktální matematika zdůrazňuje vztah mezi vzory viděnými v celku a vzory viděnými v částech tohoto celku. Například vzor větviček na větvi připomíná vzor končetin odbočujících z kmene. Fraktální objekty mohou být reprezentovány „rámečkem“ v „rámečku“, „rámečkem“ v „rámečku“ atd. Pokud někdo zná parametry prvního „rámečku“, pak je automaticky vybaven základním vzor, který charakterizuje všechny ostatní (větší nebo menší) „krabice“.
Jak je popsáno v článku Matematiky lidského života od W. Allmana (citováno v referenční části), „Matematické studie fraktálů ukazují, že struktura větvení uvnitř větvení fraktálu představuje nejlepší způsob, jak získat co největší povrch v rámci tří -dimenzionální prostor…. “ Zatímco buněčná membrána je ve skutečnosti trojrozměrný objekt, její molekulární dvojvrstva má konstantní a jednotnou tloušťku. Tloušťku membrány lze tedy ignorovat a membránu lze modelovat jako dvourozměrnou strukturu „povrchu“. Protože evoluce je modelování vědomí membrány (ve vztahu k její povrchové ploše), účinnost modelování poskytovaná fraktální geometrií by s největší pravděpodobností odrážela to, které si vybrala příroda.
Nejde o to, abychom se nechali chytit matematikou modelování. Jde o to, že fraktální model předpovídá, že evoluce bude založena na opakovaném vzoru „struktur“ vnořených do sebe! Přesněji řečeno, pokud jde o koncept fraktální evoluce, „vzor celku je vidět v částech celku“, to znamená, že vzor člověka je vidět v částech (buňkách) člověka. Pokud si člověk je vědom vzorce, podle kterého je buňka funkčně organizována, poskytuje se mu také pohled na organizaci člověka. Zvažte toto: fraktální obrazy menších struktur jsou miniatury většího celku. I když je tedy struktura člověka sebepodobným obrazem jejich vlastních buněk, struktura lidské civilizace by představovala podobnou strukturu jejích složek lidí!
Lidé jsou fraktálním obrazem společnosti, buňky jsou fraktálním obrazem člověka. Buňky jsou ve skutečnosti také fraktálním obrazem společnosti. Fraktální povahu evoluce dále naznačují opakované, stejné vzorce pozorované v každém ze tří evolučních cyklů.