Evolution af BIT'er og stykker: En introduktion til fraktal evolution
Membrangrænsen, der omslutter hver biologisk celle, omfatter det strukturelle grundlag for et biologisk processorsystem (se artikel: Cellular Consciousness). Som processor scanner cellens membranreceptorer miljøet for signaler. Naturligvis er miljøet oversvømmet i signaler. Hvis alle signalerne var hørbare, lyder miljøet som blaring støj. Imidlertid gør specificiteten af modtagelse, der er karakteristisk for hver receptor IMP, det at skelne sit komplementære signal ud af al den sammenblandede omgivende støj. Celleens evne til selektivt at filtrere nyttig information ud af "kaotisk" støj ligner funktionen af Fourier-transformationer [matematiske filtreringsprocesser, der finder signaler inden for hvad der synes at være støj] på komplekse indgange for at opfatte specifikke frekvenser som informationssignaler. Mens miljøet på en måde er "kaotisk" med hundreder og tusinder af samtidigt udtrykte "signaler", kan cellen kun selektivt læse de signaler, der er relevante for dens eksistens.
Baseret på de funktionelle og strukturelle træk ved cellemembranen repræsenterer hver enkelt celle (fx amøbe) en selvdrevet mikrocomputersystem. Som i digitale computere bestemmes strømmen eller informationshåndteringskapaciteten for den "cellulære" computer af antallet af dens BIT'er, den kan styre. I computere er BIT'erne gate / kanal-komplekser, i membranprocessoren er BIT'erne repræsenteret af receptor / effektor-komplekser. IMP-molekylerne, der indeholder cellens BIT'er, har definerede fysiske parametre og kan derfor måles.
IMP-proteinenes dimension er omtrent den samme som tykkelsen af membranen. Da IMP'erne pr. Definition ligger inden i membranens dobbeltlag, kan proteinerne kun arrangeres som et monolag (hvilket betyder, at IMP'erne ikke kan stables på hinanden). For at bruge metaforen brød og smør og oliven sandwich er der kun så mange oliven, der kan lagres på brødet. At have flere oliven i sandwichen kræver brug af et større stykke brød. Det samme gælder for at øge antallet af perception-IMP-enheder i membranen: jo flere IMP'er - jo mere overfladeareal af membran kræves for at holde dem. Cellens informationsbehandlingsevne (reflekteret i antallet af opfattelsesproteiner) er direkte forbundet med membranens overfladeareal.
Det dybe punkt i denne diskurs ... Biologisk bevidsthed er en målbar egenskab og er direkte korreleret med overfladearealet af cellens membran. Følgelig bestemmes en celles beregningskraft fysisk af begrænsninger, der pålægges cellulære dimensioner.
første fase af evolutionen af livet vedrørte udvikling og forfining af den individuelle biologiske computer 'chip', den primitive bakterie. Størrelsen af disse primitive organismer er begrænset af det faktum, at de har et stift ydre skelet, afledt af polysacchariderne i glycocalyx. Matrixen, der produceres ved tværbinding af sukkermolekylerne i denne "pels", sørger for cellens beskyttende "skelet", kaldet en kapsel. Kapslen understøtter og beskytter fysisk cellens tynde membran mod at sprænge under stammerne af det osmotiske tryk.
Osmotisk tryk er den kraft, der genereres af vandets ønske om at bevæge sig gennem en membran for at "afbalancere" koncentrationen af partikler på hver side af membranbarrieren. Cellens cytoplasma er pakket med partikler sammenlignet med det vand, hvor cellerne lever. Vand fra det ydre miljø vil passere gennem membranen for at fortynde koncentrationen af cytoplasmatiske partikler. Cellen svulmer op med vand, og trykket vil medføre, at det sarte membran dobbeltlag brister og dræber cellen. Glycocalyx-eksoskelet modstår livstruende osmotisk tryk.
Bakterier er den cellulære ækvivalent med hvirvelløse dyr (dyr, der ikke har et indre understøttende skelet (f.eks. Muslinger, insekter, geléfisk). Skelettet beskytter bakterien, men dens stive natur begrænser den også. Bakteriecellestørrelsen er begrænset af dens ydre Størrelsesbegrænsningen begrænser mængden af membran, som cellen kan have. Membranoverfladeareal er proportional med bevidstheden, baseret på antallet af IMP'er, den kan indeholde. Bakteriekapslen begrænser celleens udvikling, da der er et loft på antallet af enheder af opfattelse membranen kan indeholde.
Faktisk bruges det meste af bakteriens membranoverfladeareal til at huse de nødvendige IMP-komplekser, der kræves for celleoverlevelse. Imidlertid er hver bakterie også i stand til at lære om yderligere seks miljømæssige "signaler". For eksempel kan en bakterie erhverve evnen til at modstå et antibiotikum, der introduceres i miljøet. Det gør det ved at skabe en overfladereceptor, der binder og hæmmer antibiotikumets molekyler. Den nye receptor svarer grundlæggende til et protein “antistof”, som vores immunceller skaber for at neutralisere et invasivt antigen.
Oprettelsen af en ny receptor indebærer pr. Definition, at der skal være et nyt gen oprettet for at huske aminosyrekoden for det protein. I bakterier er disse "nye" hukommelse gener er til stede som små cirkler af DNA kaldet plasmider. Plasmiderne er ikke fysisk bundet til cellens arvelighedsgivende kromosom og flyder frit i cytoplasmaet. Bakterier er i stand til at skabe et gennemsnit på omkring seks forskellige plasmider, der hver stammer fra en unik "læringsoplevelse". Begrænsningen på antallet af plasmider, som cellen besidder, skyldes ikke manglende evne til at fremstille DNA. For bakterien kan fremstille tusindvis af kopier af de enkelte plasmider, den besidder. Begrænsningerne skal relateres til det faktum, at hvert “nye” proteinopfattelseskompleks kræver en enhed af overfladeareal for at udtrykke sine funktioner. Manglende evne til at udvide sin membran (dvs. overfladeareal) begrænser bakteriens evne til at erhverve nye opfattelser (bevidsthed).
Jo mere opmærksomhed, jo større er evnen til at overleve. Begrænsninger på enkeltpersoner, der øger deres bevidsthed, førte til, at bakterier lever i løststrikkede samfund. Hvis en individuel bakterie kan "lære" seks fakta om miljøet, er hundrede bakterier samlet set i stand til at være opmærksomme på 600 fakta. Bakterier udviklede mekanismer til at overføre kopier af deres plasmider til andre bakterier i samfundet. Ved at overføre kopier af deres "lærte" DNA deler de deres "bevidsthed" med samfundet. Bakterier kan overføre et plasmid til et andet individ. Modtagerbakterien kan bruge det donerede plasmids “bevidsthed” i løbet af sit liv, men kan generelt ikke videregive kopier af plasmidet til dets dattercelle afkom.
Bakterier har fine tentakellignende fremspring, der strækker sig fra deres ydre overflade kaldet pili. Når pilen fra to bakterier rører ved, kan pilusmembranerne smeltes sammen og forbinde cytoplasmaet fra de to celler sammen. I fusionens øjeblik kan de to bakterier udveksle kopier af deres plasmider. Bakterier er også i stand til at tørre frit flydende DNA i miljøet, så plasmider, der frigives i miljøet, som det kan forekomme, når en celle dør, og dens cytoplasma lækker ud, kan blive renset af andre celler. Imidlertid er miljøet hårdt mod fritflydende DNA, og plasmiderne brydes let ned. Et tredje, mere effektivt middel til at distribuere plasmider med ”bevidsthed” opstod, da bakterier lærte at pakke deres plasmid-DNA i beskyttende proteinskaller, hvilket skabte vira. Virus indeholder “information”, der frigives til andre individuelle celler i miljøet. Nogle vira dræber de celler, der samler dem op, mens andre vira beskytter cellerne, som de “inficerer”. Nogle gange er “information” livsbekræftende, nogle gange er det dødbringende.
Bakteriesamfund udviklede sig til et middel til at øge deres overlevelse ved at anvende en ekstracellulær polysaccharidmatrix til at omslutte alle cellerne i samfundet og "beskytte" dem mod hærgen i det vilde miljø. Individuelle bakterier var i stand til at bevæge sig gennem "kunstvandede" kanaler i matrixen. Kanalerne tillod også kommunikation af ekstracellulære materialer og informationsmolekyler, som gav en fælles integration mellem alle medlemmer af samfundet. Det cellulære samfund kan befolkes med en række forskellige bakteriearter. For eksempel kan iltfrygtige anaerobe former for bakterier leve i bunden af et samfund, mens iltelskende aerobe bakterier er til stede i øvre niveauer i samme samfund. Bakterier i samfundet er let i stand til at udveksle deres DNA og gør det således muligt for de cellulære borgere at erhverve specialiserede, differentierede funktioner.
Disse matrixindkapslede bakteriesamfund kaldes biofilm (se illustration nedenfor). Biofilm er blevet meget vigtige, da de nu anerkendes for at beskytte bakteriesamfund mod antibiotika. De bakterier, der danner tandhulrum, er faktisk biofilmsamfund, der modstår vores bestræbelser på at skure dem fra vores tænder. Biofilmernes resistive og beskyttende natur gjorde det muligt for disse samfund at være de første livsformer, der forlod havet og bo på landet.
For mange år siden grundlagde biolog Lynn Margulis konceptet om, at mitokondrier var bakterielignende organismer, der invaderede cytoplasmaet i mere avancerede kerneholdige celler kaldet eukaryoter. Først blev hendes ideer latterliggjort af etableringen, men gennem årene er det blevet en bredt accepteret tro. Interessant nok giver en forståelse af den fælles karakter af bakterier i biofilm en anden fortolkning.
Mikrofotografiet til venstre illustrerer et eksempel på en biofilm i en menneskelig lunge. Den infektiøse pseudomonas bakterieklump er indkapslet i en mørk farvning ekstracellulær matrix (se pil), der omfatter en biofilm. Indkapsling i matrixen beskytter bakterierne mod immunsystemets bestræbelser på at ødelægge dem. Matrixen, primært lavet af kulhydrater, kan også indeholde muskelproteinerne, actin og myosin, som findes bundet til de ydre overflader af nogle bakterier. De eksterne actin- og myosinproteiner gør det muligt for bakterierne at bevæge sig inden i filmens matrix.
Mikrofotografiet til højre er det samme billede, men med en "membran" trukket rundt om filmens periferi. En membran omkring filmen ville gøre det muligt for bakteriesamfundet at finjustere sammensætningen og karakteren af deres miljø, en nødvendig udvikling, der ville forbedre deres overlevelse. Denne modificerede film ligner den cytologiske anatomi i den evolutionært mere avancerede eukaryote celle. I dette tilfælde vil bakterierne repræsentere cellens organeller, og filmens matrix repræsenterer det cytoskelet-rige cytoplasma mellem organellerne. Interessant nok har eukaryoter cytoplasma mange af de samme strukturelle komponenter, der karakteriserer biofilmens matrix. Dette gælder især for actin og myosin, som gør det muligt for bakterierne at bevæge sig i filmen på samme måde som organeller bevæger sig i cytoplasmaet.
Pointen med denne diskussion er, at den mere avancerede eukaryote celle snarere end at være en udviklet enkelt enhed kan repræsentere udviklingen af et bakteriesamfund. En celle ville repræsentere et finjusteret samfund af prokaryoter, der er differentieret til organeller. En sådan hypotese understøtter troen fra pleomorfe biologer, en lille, men trofast gruppe forskere, der mener, at sygdomsrelaterede mikroorganismer kan repræsentere livsformer, der opstod, afblødt fra døende celler. Giver mening.
Uanset hvad så den anden fase af evolutionen oprindelsen til den mere sofistikerede eukaryote (kerneholdige) celle. Imidlertid ophørte udviklingen, da den nukleære celle nåede sin maksimale specifikke størrelse, for der er fysiske begrænsninger pålagt cellelivet. Hvis cellen forsøger at udvide sit overfladeareal ud over en given størrelse, bliver cellen ustabil, for hvis den overstiger visse dimensioner, vil membranen ikke være fysisk i stand til at begrænse dens cytoplasmas masse. Dette vil føre til et brud på membranen og et tab af membranpotentialet (hvorfra cellen trækker sin livgivende energi). Hvis cellen også overstiger en bestemt diameter, ville diffusionsprocessen ikke muliggøre tilstrækkeligt ilt til metabolisk behandling til at nå den centrale del af cellen.
Som et resultat var de første 3 milliarder år i evolutionens historie primært forbundet med udseende og udvikling af encellede organismer (bakterier, alger, protozoer). Det var oprindelsen til flercellede organismer, der repræsenterede en alternativ måde at udvide membranoverfladearealet (dvs. bevidsthedspotentiale) ud over begrænsningerne for den enkelte celle. Derfor, i hvad der svarede til en tredje fase af evolutionen, resulterede en stigning i biologisk "computer" magt (bevidsthed) fra den samme proces med at organisere sig i samfund med højere orden. I stedet for at øge bevidstheden om den enkelte eukaryote celle, drejede den tredje fase af evolution sig om rækkefølgen af individuelle eukaryote celle 'chips' i interaktive samlinger.
Denne "indfasning" af evolution ligner den, der opstod i computerbranchen. Texas Instruments udviklede chippen. Individuelle chips er hjertet i den enkle regnemaskine. Men når mange chips blev integreret og kablet sammen, sørgede de for computeren. Da individuelle computere nåede deres maksimale effekt, blev supercomputere skabt ved at samle mange computere i et organiseret parallelbehandlings “community”. Bakteriets forhold til den eukaryote celle svarer til chipens forhold til computeren. Den eukaryote celles forhold til den multicellulære organisme er den samme som en individuel computers forhold til helheden i et parallelbehandlingsnetværk.
I computere måles maskinens "strøm" i BIT-håndteringskapacitet. I biologiske organismer afspejles "bevidsthed" -potentialet i antallet og mangfoldigheden af integrerede IMP-komplekser. Da mængden af IMP'er er direkte forbundet med "overfladeareal", bliver bevidsthed en faktor for fælles membranoverflader i de multicellulære organismer.
Overvej det overfladearealforhold med hensyn til hjernedannelse i hvirveldyr. Første hvirveldyrs hjerner er små, glatte kugler. Når man stiger op ad den evolutionære stige, bliver hjernen større, og mere overfladeareal er efterfølgende afledt af infoldninger af hjernens overflade, der producerer de karakteristiske sulci (riller) og gyri (folder) af mere avancerede hjerner. Interessant, når man overvejer bevidsthed med hensyn til hjerneoverflade, er mennesker på andenpladsen, da marsvin og delfinhjerner har et større overfladeareal.
Det foreslås, at mennesker i lighed med encellede protozoer repræsenterer et andet evolutionært slutpunkt, det højeste udviklingsniveau for en multicellulær biologisk struktur. I en række begivenheder, der var overflødige med dem, der skete i de to foregående udviklingscyklusser, fortsatte den menneskelige udvikling gennem en proces med samling og integration af enkeltpersoner i et multicellulært samfund. I dette samfund kendt som menneskeheden er hver persons rolle analog med en enkelt celle i den menneskelige konstruktion. I det globale syn på Jorden som en levende organisme (Gaia) er mennesker IMP-ækvivalenterne i Jordens overflademembran. Mennesker, som receptorer og effektorer, samles og integreres i mønstrede netværk (samfund) i jordens hylster, hvor de modtager miljømæssige "signaler" og fungerer som omskiftningsmekanismer for planetens membranporte.
Disse undersøgelser afslører, at fortid og fremtidig udvikling kan modelleres matematisk i strukturen og uddybningen af cellemembranen. Den bedste måde at organisere todimensionalt membranoverfladeareal i et tredimensionelt celleområde er at anvende fraktalgeometri.
I naturen udtrykker de fleste uorganiske og organiske strukturer et ”uregelmæssigt” mønster. Imidlertid finder man inden for det tilsyneladende kaos af uregelmæssighederne, at de uregelmæssige strukturer gentages ”regelmæssigt” (dvs. de viser en form for orden). For eksempel er forgreningsmønsteret i et træs kvist ofte det samme forgreningsmønster, der observeres på træstammen. Mønsteret for forgrening af en større flod er identisk med det forgreningsmønster, der observeres langs dens mindre bifloder. Mønsteret af grene langs bronchus er en gentagelse af mønsteret af luftvejsgrene langs de mindste bronchioles. Lignende billeder af gentagne forgreningsmønstre i kroppen afsløres i de arterielle og venøse blodkar og det perifere nervesystem.
Den franske matematiker, Benoit Mandelbrot, var den første til at erkende, at geometrien af mange af naturens objekter afslørede et lignende mønster uanset skalaen, den blev undersøgt på. Jo mere du forstørrer billedet, jo mere ser strukturen den samme ud. Mandelbrot introducerede udtrykket "selvlignende" for at beskrive sådanne objekter. ”I 1975 opfandt Mandelbrot ordet fraktal som en bekvem etiket til uregelmæssige og fragmenterede selvlignende former.
Fraktalernes matematik er utrolig enkel, idet den består i at gentage "operationer" af tilføjelser og multiplikation. I processen bruges resultatet af en operation som input til den efterfølgende operation; resultatet af denne operation bruges derefter som input til den næste operation osv. Matematisk bruger alle "operationer" nøjagtig den samme formel, men de skal gentages millioner af gange for at få løsningen. Den manuelle arbejdskraft og den tid, der kræves for at gennemføre en fraktalligning, forhindrede matematikere i at genkende "kraften" i Fractal Geometry indtil fremkomsten af stærke computere gjorde det muligt for Benoit Mandelbrot at definere denne nye matematik.
I klassisk geometri repræsenterer punkterne, linjerne, overfladearealerne og de kubiske strukturer dimensioner udtrykt i henholdsvis hele heltal, henholdsvis 0-, 1-, 2- og 3-dimensioner. Fraktalgeometri anvendes til at modellere billeder, der er mere "interdimensionelle." For eksempel er en buet linje et 1-dimensionelt objekt. I fraktaler kan kurven zig-zag så meget, at den faktisk kommer tæt på at udfylde flyet. Hvis linjens kurve er relativt enkel, er den tæt på dimensionen 1. Hvis linjens kurver er så tæt pakket, at de fylder rummet, nærmer linjen 2-dimensioner. Fraktalgeometri udfylder mellemrummet mellem hele taldimensioner.
En strukturel egenskab ved fraktaler er relativt let at forstå: fraktaler udviser et gentaget mønster af "strukturer" indlejret i hinanden. Hver mindre struktur er en miniature, men ikke nødvendigvis en nøjagtig version af den større form. Fraktal matematik understreger forholdet mellem mønstre set i helheden og mønstre set i dele af den helhed. For eksempel ligner mønsteret af kviste på en gren mønsteret af lemmer, der forgrener sig fra bagagerummet. Fraktale objekter kan repræsenteres af en "boks" i en "boks", inden i en "boks", inden i en "boks" osv. Hvis man kender parametrene for den første "boks", forsynes man automatisk med de grundlæggende mønster, der karakteriserer alle de andre (større eller mindre) "kasser".
Som beskrevet i Mathematics of Human Life-artiklen af W. Allman (citeret i referenceafsnittet), “Matematiske studier af fraktaler afslører, at en forgrenings-inden-forgreningsstruktur af en fraktal repræsenterer den bedste måde at få mest overfladeareal inden for en tre -dimensionelt rum ... ” Mens cellemembranen i virkeligheden er et 3-dimensionelt objekt, har dets molekylære dobbeltlag en konstant og ensartet tykkelse. Som sådan kan tykkelsen af membranen ignoreres, og membranen kan modelleres som en 2-dimensionel "overfladeareal" -struktur. Da evolution er modellering af membranens bevidsthed (relateret til dens overfladeareal), ville effektiviteten af modellering tilvejebragt ved fraktal geometri sandsynligvis afspejle det, der er valgt af naturen.
Pointen er ikke at blive fanget i modelleringens matematik. Pointen er, at fraktalmodellen forudsiger, at evolution vil være baseret på et gentaget mønster af "strukturer" indlejret i hinanden! Mere specifikt, da det vedrører et koncept med Fractal Evolution, "ses mønsteret af helheden i delene af helheden," betyder det, at mønsteret for mennesket ses i menneskets dele (celler). Hvis man er opmærksom på det mønster, hvormed en celle er funktionelt organiseret, får man også indsigt i organisationen af et menneske. Overvej dette: fraktalbillederne af mindre strukturer er miniaturer af den større helhed. Derfor, mens strukturen af mennesker er et selvlignende billede af deres egne celler, ville strukturen for den menneskelige civilisation repræsentere en selvlignende struktur for dets bestanddel mennesker!
Mennesker er et fractalbillede af samfundet, celler er et fractalbillede af mennesket. Faktisk er celler også et fraktalt billede af samfundet. Evolutionens fraktale natur antydes yderligere af de gentagne, selvsamme mønstre observeret i hver af de tre udviklingscyklusser.