Ailargraffwyd o Bridges, 2001 Cyf 12 (1): 5 ISSEEM
Er bod bod dynol yn cynnwys dros hanner cant triliwn o gelloedd, nid oes unrhyw swyddogaethau ffisiolegol yn ein cyrff nad oeddent eisoes yn bodoli ym mioleg y gell sengl, gnewyllol (ewcaryotig). Mae organebau un celwydd, fel yr amoeba neu'r paramecium, yn meddu ar gyfwerth cytolegol system dreulio, system ysgarthol, system resbiradol, system gyhyrysgerbydol, system imiwnedd, system atgenhedlu a system gardiofasgwlaidd, ymhlith eraill. Yn y bodau dynol, mae'r swyddogaethau ffisiolegol hyn yn gysylltiedig â gweithgaredd organau penodol. Mae'r un prosesau ffisiolegol hyn yn cael eu cynnal mewn celloedd gan systemau organau bychain o'r enw organynnau.
Mae bywyd cellog yn cael ei gynnal trwy reoleiddio swyddogaethau systemau ffisiolegol y gell yn dynn. Mae mynegiant repertoires ymddygiadol rhagweladwy yn awgrymu bodolaeth “system nerfol gellog”. Mae'r system hon yn ymateb i ysgogiadau amgylcheddol trwy ennyn ymatebion ymddygiadol priodol. Byddai'r organelle sy'n cydlynu addasiadau ac ymatebion cell i'w hamgylcheddau mewnol ac allanol yn cynrychioli cyfwerth cytoplasmig yr “ymennydd.”
Ers torri'r cod genetig yn gynnar yn y 1950au, mae biolegwyr celloedd wedi ffafrio'r cysyniad o benderfyniaeth enetig, y syniad bod genynnau yn "rheoli" bioleg. Mae bron pob un o enynnau'r gell wedi'u cynnwys yn organelle mwyaf y gell, y niwclews. Mae barn gonfensiynol yn ystyried mai'r niwclews yw “canolfan orchymyn” y gell. O'r herwydd, byddai'r niwclews yn cynrychioli cyfwerth cellog yr “ymennydd.”
Mae penderfyniaeth enetig yn golygu bod mynegiant a thynged organeb yn “rhagderfynedig” yn ei god genetig yn bennaf. Mae sylfaen genetig mynegiant organebol wedi'i wreiddio yn y gwyddorau biolegol fel gwirionedd cydsyniol, cred yr ydym yn llunio ein cyfeiriad at iechyd a chlefydau. Felly mae'r syniad bod tueddiad i rai afiechydon neu fynegiant o ymddygiad ymosodol yn gysylltiedig yn gyffredinol â llinach genetig ac, ar brydiau, treigladau digymell. Trwy estyniad, mae mwyafrif o wyddonwyr o'r farn bod y meddwl a'r ymwybyddiaeth ddynol yn cael eu “hamgodio” ym moleciwlau'r system nerfol. Mae hyn yn ei dro yn hyrwyddo'r cysyniad bod ymddangosiad ymwybyddiaeth yn adlewyrchu'r “ysbryd yn y peiriant.”
Mae uchafiaeth DNA wrth ddylanwadu a rheoleiddio ymddygiad ac esblygiad biolegol yn seiliedig ar dybiaeth ddi-sail. Mae erthygl arloesol gan HF Nijhout (BioEssays 1990, 12 (9): 441-446) yn disgrifio sut y lluniwyd cysyniadau yn ymwneud â “rheolyddion” a “rhaglenni” genetig yn wreiddiol fel trosiadau i helpu i ddiffinio a chyfeirio llwybrau ymchwil. Mae ailadrodd y rhagdybiaeth gymhellol hon yn eang dros hanner can mlynedd wedi arwain at “drosiad y model” yn “wirionedd y mecanwaith,” er gwaethaf absenoldeb tystiolaeth gefnogol o sylwedd. Gan fod y dybiaeth yn pwysleisio'r rhaglen enetig fel y “gris uchaf” ar yr ysgol reoli fiolegol, mae genynnau wedi ennill statws asiantau achosol wrth ennyn mynegiant ac ymddygiad biolegol (ee genynnau sy'n achosi canser, alcoholiaeth, a throseddoldeb hyd yn oed).
Mae'r syniad mai'r cnewyllyn a'i genynnau yw “ymennydd” y gell yn ddamcaniaeth anghynaladwy ac afresymegol. Os tynnir yr ymennydd o anifail, byddai tarfu ar integreiddio ffisiolegol yn arwain ar unwaith at farwolaeth yr organeb. Pe bai'r niwclews yn wirioneddol yn cynrychioli ymennydd y gell, yna byddai tynnu'r niwclews yn arwain at roi'r gorau i swyddogaethau'r gell a marwolaeth ar unwaith yn y gell. Fodd bynnag, gall celloedd sydd wedi'u trwytho'n arbrofol oroesi am ddau fis neu fwy gyda genynnau allan, ac eto gallant gyflawni ymatebion cymhleth i ysgogiadau amgylcheddol a cytoplasmig (Lipton, et al., Gwahaniaethu 1991, 46: 117-133). Mae rhesymeg yn datgelu na all y niwclews fod yn ymennydd y gell!
Arweiniodd astudiaethau ar gelloedd dynol wedi'u clonio fi at yr ymwybyddiaeth bod plasmalemma'r gell, y cyfeirir ati'n gyffredin fel y gellbilen, yn cynrychioli “ymennydd y gell.” Pilenni celloedd, yr organelle biolegol cyntaf i ymddangos yn esblygiad, yw'r unig organelle sy'n gyffredin i bob organeb fyw. Mae pilenni celloedd yn rhannu'r cytoplasm, gan ei wahanu oddi wrth fympwyon yr amgylchedd allanol. Yn ei allu i rwystro, mae'r bilen yn galluogi'r gell i gynnal “rheolaeth” dynn dros yr amgylchedd cytoplasmig, rheidrwydd i gyflawni adweithiau biolegol. Mae pilenni celloedd mor denau fel mai dim ond gan ddefnyddio'r microsgop electron y gellir eu gweld. O ganlyniad, dim ond tua 1950 y sefydlwyd bodolaeth a mynegiant cyffredinol strwythur y bilen.
Mewn micrograffau electron, mae'r gellbilen yn ymddangos fel “croen” tenau (<10nm), tair haenog (du-gwyn-du) sy'n gorchuddio'r gell. Roedd symlrwydd strwythurol sylfaenol y gellbilen, sy'n union yr un fath ar gyfer pob organeb fiolegol, yn fiolegwyr celloedd. Am y rhan fwyaf o'r hanner can mlynedd diwethaf, roedd y bilen yn cael ei hystyried yn rhwystr “goddefol,” lled-athraidd, yn debyg i “lapio plastig” anadladwy a'i swyddogaeth oedd cynnwys y cytoplasm yn unig.
Mae ymddangosiad haenog y bilen yn adlewyrchu trefniadaeth ei blociau adeiladu ffosffolipid. Mae'r moleciwlau siâp lolipop hyn yn amffipathig, mae ganddyn nhw ben ffosffad pegynol globular (Ffigur A) a dwy goes nad ydynt yn begynol tebyg i ffon (Ffigur B). Wrth gael eu hysgwyd mewn toddiant, mae'r ffosffolipidau yn ymgynnull eu hunain i mewn i ddeulawr crisialog sy'n sefydlogi (Ffigur C).
Mae'r coesau lipid sy'n cynnwys craidd y bilen yn darparu rhwystr hydroffobig (Ffigur D) sy'n rhannu'r cytoplasm o'r amgylchedd allanol sy'n newid yn barhaus. Er bod cywirdeb cytoplasmig yn cael ei gynnal gan swyddogaeth rhwystr goddefol y lipid, mae prosesau bywyd yn gofyn am gyfnewid metabolion a gwybodaeth yn weithredol rhwng y cytoplasm a'r amgylchedd o'i amgylch. Mae gweithgareddau ffisiolegol y plasmalemma yn cael eu cyfryngu gan broteinau'r bilen.
Mae pob un o'r oddeutu 100,000 o wahanol broteinau sy'n darparu ar gyfer y corff dynol yn cynnwys cadwyn linellol o asidau amino cysylltiedig. Mae'r “cadwyni” wedi'u hymgynnull o boblogaeth o ugain o asidau amino gwahanol. Diffinnir strwythur a swyddogaeth unigryw pob protein gan y dilyniant penodol o asidau amino sy'n cynnwys ei gadwyn. Wedi'i syntheseiddio fel llinyn llinellol, mae'r cadwyni asid amino wedi hynny yn plygu i globylau tri dimensiwn unigryw. Mae cydffurfiad terfynol (siâp) y protein yn adlewyrchu cydbwysedd gwefr drydanol ymhlith ei asidau amino cyfansoddol.
Mae morffoleg tri dimensiwn proteinau wedi'u plygu yn cynysgaeddu eu harwynebau â holltau a phocedi siâp penodol. Bydd moleciwlau ac ïonau sydd â siapiau corfforol cyflenwol a gwefr drydanol yn rhwymo i holltau a phocedi wyneb protein gyda phenodoldeb clo-ac-allwedd. Mae rhwymo moleciwl arall yn newid dosbarthiad gwefr drydanol y protein. Mewn ymateb, bydd cadwyn asid amino y protein yn cael ei hail-werthu'n ddigymell i ail-gydbwyso'r dosbarthiad gwefr. Mae ail-lenwi yn newid cydffurfiad y protein. Wrth symud o un cydffurfiad i'r nesaf, mae'r protein yn mynegi symudiad. Mae symudiadau cydffurfiol protein yn cael eu harneisio gan y gell i gyflawni swyddogaethau ffisiolegol. Mae'r gwaith a gynhyrchir gan symud protein yn gyfrifol am “fywyd.”
Mae nifer o'r ugain asid amino sy'n cynnwys cadwyn y protein yn rhai nad ydynt yn begynol (hydroffobig, sy'n hoff o olew). Mae'r dognau hydroffobig o broteinau yn ceisio sefydlogrwydd trwy fewnosod eu hunain yng nghraidd lipid y bilen. Mae'r dognau pegynol (sy'n hoff o ddŵr) o'r proteinau hyn yn ymestyn o'r naill neu'r llall o arwynebau gorchudd dŵr y bilen. Gelwir proteinau sydd wedi'u hymgorffori yn y bilen yn broteinau pilen annatod (IMPs).
Gellir isrannu IMPau bilen yn ddau ddosbarth yn weithredol: derbynyddion ac effeithyddion. Mae derbynyddion yn ddyfeisiau mewnbwn sy'n ymateb i signalau amgylcheddol. Dyfeisiau allbwn sy'n actifadu prosesau cellog yw effeithiau. Mae teulu o broteinau prosesydd, sydd wedi'u lleoli yn y cytoplasm o dan y bilen, yn cysylltu derbynyddion sy'n derbyn signal ag effaithyddion sy'n cynhyrchu gweithredu.
Mae derbynyddion yn “antenau” moleciwlaidd sy'n adnabod signalau amgylcheddol. Mae rhai antenau derbynnydd yn ymestyn i mewn o wyneb cytoplasmig y bilen. Mae'r derbynyddion hyn yn “darllen” y milieu mewnol ac yn darparu ymwybyddiaeth o gyflyrau cytoplasmig. Mae derbynyddion eraill sy'n ymestyn o wyneb allanol y gell yn darparu ymwybyddiaeth o signalau amgylcheddol allanol.
Mae gwyddorau biofeddygol confensiynol yn honni mai dim ond sylwedd moleciwlau y gellir cario “gwybodaeth” amgylcheddol (Gwyddoniaeth 1999, 284: 79-109). Yn ôl y syniad hwn, dim ond “signalau” sy'n cyd-fynd â'u nodweddion wyneb yn gorfforol y mae derbynyddion yn eu cydnabod. Mae'r gred faterol hon yn cael ei chynnal er y dangoswyd yn helaeth bod derbynyddion protein yn ymateb i amleddau dirgrynol. Trwy broses a elwir yn gyplu electrogynffurfiol (Tsong, Tueddiadau mewn Biochem. Sci. 1989, 14: 89-92), gall meysydd ynni dirgrynol soniarus newid cydbwysedd gwefrau mewn protein. Mewn maes egni harmonig, bydd derbynyddion yn newid eu cydffurfiad. O ganlyniad, mae derbynyddion pilen yn ymateb i wybodaeth amgylcheddol gorfforol ac egnïol.
Mae cydffurfiad “actifedig” derbynnydd yn hysbysu'r gell o fodolaeth signal. Mae newidiadau mewn cydffurfiad derbynyddion yn darparu ar gyfer “ymwybyddiaeth.” Cellog. Yn ei gydffurfiad “wedi'i actifadu”, gall derbynnydd sy'n derbyn signal rwymo naill ai i brotein effaith sy'n cynhyrchu swyddogaeth benodol neu i brotein prosesydd cyfryngol. Mae proteinau derbynnydd yn dychwelyd i'w cydffurfiad “anactif” gwreiddiol ac yn datgysylltu oddi wrth broteinau eraill pan ddaw'r signal i ben.
Mae'r teulu o broteinau effaith yn cynrychioli dyfeisiau “allbwn”. Mae yna dri math gwahanol o effaith, proteinau cludo, ensymau a phroteinau cytoskeletal. Mae cludwyr, sy'n cynnwys y teulu helaeth o sianeli, yn cludo moleciwlau a gwybodaeth o un ochr i rwystr y bilen i'r llall. Mae ensymau yn gyfrifol am synthesis metabolaidd a diraddiad. Mae proteinau cytoskeletal yn rheoleiddio siâp a symudedd celloedd.
Yn gyffredinol, mae gan broteinau effeithiol ddau gydffurfiad: cyfluniad gweithredol lle mae'r protein yn mynegi ei swyddogaeth; a chydffurfiad “gorffwys” lle mae'r protein yn anactif. Er enghraifft, mae protein sianel yn ei gydffurfiad gweithredol yn meddu ar mandwll agored lle mae ïonau neu foleciwlau penodol yn croesi rhwystr y bilen. Wrth ddychwelyd i gydffurfiad anactif, mae ail-lenwi protein yn cyfyngu'r sianel dargludo ac mae llif ïonau neu foleciwlau yn dod i ben.
Gan roi'r holl ddarnau at ei gilydd rydyn ni'n cael mewnwelediad i sut mae “ymennydd” y gell yn prosesu gwybodaeth ac yn ennyn ymddygiad. Mae'r signalau egni moleciwlaidd a pelydrol di-rif yn amgylchedd cell yn creu rhith-storfa wybodaeth. Mewn modd sy'n debyg i drawsnewidiad biolegol Fourier, mae derbynyddion wyneb unigol (Ffig. H) yn synhwyro'r amgylchedd sy'n ymddangos yn anhrefnus ac yn hidlo amleddau penodol fel signalau ymddygiadol. Mae derbyn signal soniarus (Ffig. I, saeth) yn cymell newid cydffurfiol yn y gyfran cytoplasmig o'r derbynnydd (Ffig. I, pen saeth). Mae'r newid cydffurfiol hwn yn galluogi'r derbynnydd i gymhlethu ag IMP effaithydd penodol (Ffig. J, yn yr achos hwn IMP sianel). Mae rhwymo'r protein derbynnydd (Ffig. K) yn ei dro yn arwain at newid cydffurfiol yn y protein effeithydd (Ffig. L, y sianel yn agor). Gall derbynyddion actifedig droi llwybrau ensymau ymlaen, cymell ad-drefnu strwythurol a symudedd neu actifadu cludo signalau ac ïonau trydanol pwls unigryw ar draws y bilen.
Mae proteinau prosesydd yn gweithredu fel dyfeisiau “amlblecs” yn yr ystyr eu bod yn gallu cynyddu amlochredd y system signal. Mae proteinau o'r fath yn rhyngwynebu derbynyddion â phroteinau effaith (P yn ffigur M). Trwy gyplu protein prosesydd “rhaglennu”, gellir cysylltu amrywiaeth o fewnbynnau ag amrywiaeth o allbynnau. Mae proteinau prosesydd yn darparu ar gyfer repertoire ymddygiadol mawr gan ddefnyddio nifer gyfyngedig o IMPs.
Mae IMPau effeithiol yn trosi signalau amgylcheddol wedi'u cyfryngu gan dderbynnydd yn ymddygiad biolegol. Efallai y bydd swyddogaeth allbwn rhai proteinau effeithiol yn cynrychioli maint llawn ymddygiad a gafwyd. Fodd bynnag, yn y rhan fwyaf o achosion, mae allbwn IMPau effaith yn gweithredu fel “signal” eilaidd sy'n treiddio'r gell ac yn actifadu ymddygiad llwybrau protein cytoplasmig eraill. Mae proteinau effeithydd actifedig hefyd yn gweithredu fel ffactorau trawsgrifio, signalau sy'n ennyn mynegiant genynnau.
Mae ymddygiad y gell yn cael ei reoli gan weithredoedd cyfun derbynyddion cypledig ac IMPau sy'n effeithio. Mae derbynyddion yn darparu “ymwybyddiaeth o’r amgylchedd” ac mae proteinau effaith yn trosi’r ymwybyddiaeth honno’n “deimlad corfforol.” Trwy ddiffiniad caeth, mae cyfadeiladydd derbynnydd-effaith yn cynrychioli uned canfyddiad sylfaenol. Mae unedau canfyddiad protein yn darparu sylfaen ymwybyddiaeth fiolegol. Canfyddiadau ymddygiad “rheoli” celloedd, ond mewn gwirionedd, mae cell yn cael ei “rheoli” gan gredoau, oherwydd efallai nad yw canfyddiadau o reidrwydd yn gywir.
Prosesydd gwybodaeth organig yw'r gellbilen. Mae'n synhwyro'r amgylchedd ac yn trosi'r ymwybyddiaeth honno'n “wybodaeth” a all ddylanwadu ar weithgaredd llwybrau protein a rheoli mynegiant y genynnau. Mae disgrifiad o strwythur a swyddogaeth y bilen yn darllen fel a ganlyn: (A) yn seiliedig ar drefniadaeth ei foleciwlau ffosffolipid, mae'r bilen yn grisial hylif; B) mae cludo gwybodaeth wedi'i reoleiddio ar draws y rhwystr hydroffobig gan broteinau effaith IMP yn golygu bod y bilen yn lled-ddargludydd; a © mae'r bilen wedi'i chynysgaeddu â IMPs sy'n gweithredu fel gatiau (derbynyddion) a sianeli. Fel lled-ddargludydd crisial hylifol gyda gatiau a sianeli, mae'r bilen yn transistor prosesu gwybodaeth, sglodyn cyfrifiadur organig.
Mae pob cymhleth derbynnydd-effaith yn cynrychioli BIT biolegol, un uned canfyddiad. Er i'r rhagdybiaeth hon gael ei chyflwyno'n ffurfiol gyntaf ym 1986 (Lipton 1986, Planetary Assoc. Ar gyfer Cylchlythyr Ynni Glân 5: 4), mae'r cysyniad wedi'i ddilysu'n dechnolegol ers hynny. Cysylltodd Cornell ac eraill (Nature 1997, 387: 580-584), bilen â swbstrad ffoil aur. Trwy reoli'r electrolytau rhwng y bilen a'r ffoil, roeddent yn gallu digideiddio agor a chau sianeli a ysgogwyd gan dderbynnydd. Mae'r gell a sglodyn yn strwythurau homologaidd.
Mae'r gell yn “sglodyn cyfrifiadur” sy'n seiliedig ar garbon sy'n darllen yr amgylchedd. Mae ei “bysellfwrdd” yn cynnwys derbynyddion. Cofnodir gwybodaeth amgylcheddol trwy ei “allweddi” protein. Trosglwyddir y data i ymddygiad biolegol gan broteinau effaith. Mae'r BITs IMP yn gweithredu fel switshis sy'n rheoleiddio swyddogaethau celloedd a mynegiant genynnau. Mae'r niwclews yn cynrychioli “disg galed” gyda meddalwedd wedi'i godio â DNA. Mae datblygiadau diweddar mewn bioleg foleciwlaidd yn pwysleisio natur darllen / ysgrifennu y gyriant caled hwn.
Yn ddiddorol, mae trwch y bilen (tua 7.5 nm) yn sefydlog gan ddimensiynau'r blayer ffosffolipid. Gan fod IMPau pilen oddeutu 6-8 nm mewn diamedr, dim ond monolayer y gallant ei ffurfio yn y bilen. Ni all unedauIMP bentyrru ar ei gilydd, mae ychwanegu mwy o unedau canfyddiad wedi'i gysylltu'n uniongyrchol â chynnydd yn arwynebedd y bilen. Yn ôl y ddealltwriaeth hon, byddai esblygiad, ehangu ymwybyddiaeth (h.y., ychwanegu mwyIMP) yn cael ei fodelu yn fwyaf effeithiol gan ddefnyddio geometreg ffractal. Gellir arsylwi natur ffractal bioleg yn yr ailadroddiadau strwythurol a swyddogaethol a welwyd ymhlith hierarchaeth y gell, organebau amlgellog (dyn) a chymunedau organebau amlgellog (cymdeithas ddynol).
Mae'r canfyddiad newydd hwn ar fecanweithiau rheoli celloedd yn ein rhyddhau o gyfyngiadau penderfyniaeth genetig. Yn hytrach nag ymddwyn fel awtomerau genetig wedi'u rhaglennu, mae ymddygiad biolegol wedi'i gysylltu'n ddeinamig â'r amgylchedd. Er bod y dull lleihaol hwn wedi tynnu sylw at fecanwaith y proteinau canfyddiad unigol, mae dealltwriaeth o'r mecanwaith prosesu yn pwysleisio natur gyfannol organebau biolegol. Mae mynegiant y gell yn adlewyrchu cydnabyddiaeth yr holl ysgogiadau amgylcheddol canfyddedig, yn gorfforol ac yn egnïol. O ganlyniad, gellir dod o hyd i'r “Meddygaeth Calon Ynni” yn hud y bilen.