Εξέλιξη από BIT και κομμάτια: Εισαγωγή στην εξέλιξη του Fractal
Το όριο της μεμβράνης που περιβάλλει κάθε βιολογικό κύτταρο περιλαμβάνει τη δομική βάση ενός βιολογικού συστήματος επεξεργαστή (βλέπε άρθρο: Κυτταρική συνείδηση). Ως επεξεργαστής, οι υποδοχείς μεμβράνης του κυττάρου σαρώνουν το περιβάλλον για σήματα. Προφανώς το περιβάλλον πλημμυρίζει σήματα. Εάν όλα τα σήματα ήταν ακουστικά, το περιβάλλον θα έμοιαζε με θόρυβο. Ωστόσο, η εξειδίκευση της λήψης που είναι χαρακτηριστική για κάθε υποδοχέα IMP, της επιτρέπει να διακρίνει το συμπληρωματικό σήμα της από όλο τον αναστατωμένο θόρυβο περιβάλλοντος. Η ικανότητα του κελιού να φιλτράρει επιλεκτικά χρήσιμες πληροφορίες από «χαοτικό» θόρυβο μοιάζει με τη λειτουργία των μετασχηματισμών Fourier [μαθηματικές διαδικασίες φιλτραρίσματος που βρίσκουν σήματα μέσα σε αυτό που φαίνεται να είναι θόρυβος] σε πολύπλοκες εισόδους για να αντιλαμβάνονται συγκεκριμένες συχνότητες ως πληροφοριακά σήματα. Ενώ το περιβάλλον είναι με μια έννοια «χαοτικό», με εκατοντάδες και χιλιάδες ταυτόχρονα εκφρασμένα «σήματα», το κελί μπορεί να διαβάσει επιλεκτικά μόνο εκείνα τα σήματα που σχετίζονται με την ύπαρξή του.
Με βάση τα λειτουργικά και δομικά χαρακτηριστικά της κυτταρικής μεμβράνης, κάθε μεμονωμένο κύτταρο (π.χ., αμοιβάδα) αντιπροσωπεύει ένα αυτόνομο σύστημα μικροϋπολογιστών. Όπως και στους ψηφιακούς υπολογιστές, η ισχύς ή η ικανότητα χειρισμού πληροφοριών του «κυψελοειδούς» υπολογιστή καθορίζεται από τον αριθμό των BIT που μπορεί να διαχειριστεί. Στους υπολογιστές, τα BIT είναι σύμπλοκα πύλης / καναλιού, στον επεξεργαστή μεμβράνης, τα BIT αντιπροσωπεύονται από σύμπλοκα υποδοχέα / τελεστή. Τα μόρια IMP που περιλαμβάνουν τα BIT του κυττάρου έχουν ορίσει φυσικές παραμέτρους και επομένως μπορούν να «μετρηθούν».
Η διάσταση των πρωτεϊνών ΙΜΡ είναι περίπου ίδια με το πάχος της μεμβράνης. Δεδομένου ότι τα IMPs, εξ ορισμού, βρίσκονται εντός της διπλής στιβάδας της μεμβράνης, οι πρωτεΐνες μπορούν να ταξινομηθούν μόνο ως μονοστιβάδες (που σημαίνει ότι τα IMPs δεν μπορούν να στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο). Για να χρησιμοποιήσετε τη μεταφορά ψωμιού και βουτύρου και σάντουιτς ελιάς, υπάρχουν μόνο τόσες πολλές ελιές που μπορούν να επιστρωθούν στο ψωμί. Για να έχετε περισσότερες ελιές στο σάντουιτς απαιτείται η χρήση μιας μεγαλύτερης φέτας ψωμιού. Το ίδιο ισχύει και για την αύξηση του αριθμού των μονάδων αντίληψης-IMP στη μεμβράνη: όσο περισσότερα IMPs-τόσο μεγαλύτερη επιφάνεια της μεμβράνης απαιτείται για τη συγκράτησή τους. Η ικανότητα επεξεργασίας πληροφοριών του κυττάρου (αντανακλάται στον αριθμό των πρωτεϊνών αντίληψης) συνδέεται άμεσα με την επιφάνεια της μεμβράνης.
Το βαθύ σημείο αυτού του λόγου… Η βιολογική επίγνωση είναι μια μετρήσιμη ιδιότητα, και είναι άμεσα συσχετισμένη με την επιφάνεια της μεμβράνης του κυττάρου. Κατά συνέπεια, η υπολογιστική ισχύς ενός στοιχείου καθορίζεται φυσικά από περιορισμούς που επιβάλλονται στις κυτταρικές διαστάσεις.
Η πρώτη φάση εξέλιξης της ζωής αφορούσε την ανάπτυξη και τη βελτίωση του μεμονωμένου βιολογικού υπολογιστή «τσιπ», το πρωτόγονο βακτήριο. Το μέγεθος αυτών των πρωτόγονων οργανισμών περιορίζεται από το γεγονός ότι διαθέτουν έναν άκαμπτο εξωτερικό σκελετό, που προέρχεται από τους πολυσακχαρίτες του γλυκοκάλυκα. Η μήτρα που παράγεται από τη σταυροσύνδεση των μορίων σακχάρου σε αυτό το «παλτό» παρέχει τον προστατευτικό «σκελετό» του κυττάρου, που ονομάζεται κάψουλα. Η κάψουλα στηρίζει φυσικά και προστατεύει τη λεπτή μεμβράνη του κυττάρου από ρήξη κάτω από τα στελέχη της οσμωτικής πίεσης.
Η οσμωτική πίεση είναι η δύναμη που δημιουργείται από την επιθυμία του νερού να κινηθεί μέσω μιας μεμβράνης για να «εξισορροπήσει» τη συγκέντρωση των σωματιδίων σε κάθε πλευρά του φράγματος της μεμβράνης. Το κυτταρόπλασμα του κυττάρου είναι γεμάτο με σωματίδια σε σύγκριση με το νερό στο οποίο ζουν τα κύτταρα. Νερό από το εξωτερικό περιβάλλον θα περάσει μέσω της μεμβράνης για να αραιώσει τη συγκέντρωση των κυτταροπλασματικών σωματιδίων. Το κύτταρο διογκώθηκε με νερό και η πίεση θα προκαλούσε ρήξη της διπλής στιβάδας της λεπτής μεμβράνης, σκοτώνοντας το κύτταρο. Ο γλυκοκάλυξ εξωσκελετός αντιστέκεται στην ωσμωτική πίεση που απειλεί τη ζωή.
Τα βακτήρια είναι το κυτταρικό ισοδύναμο των ασπόνδυλων (ζώα που δεν διαθέτουν εσωτερικό υποστηρικτικό σκελετό (π.χ. μύδια, έντομα, ζελέ ψάρια). Ενώ ο σκελετός προστατεύει το βακτήριο, η άκαμπτη φύση του το περιορίζει επίσης. Το μέγεθος των βακτηριακών κυττάρων περιορίζεται από το εξωτερικό του κάψουλα. Ο περιορισμός μεγέθους περιορίζει την ποσότητα μεμβράνης που μπορεί να διαθέτει το κύτταρο. Η επιφάνεια της μεμβράνης είναι ανάλογη με την ευαισθητοποίηση, με βάση τον αριθμό των IMP που μπορεί να περιέχει. Η βακτηριακή κάψουλα περιορίζει την εξέλιξη του κυττάρου, καθώς υπάρχει ένα καπάκι στον αριθμό των μονάδων αντίληψης που μπορεί να περιέχει η μεμβράνη.
Στην πραγματικότητα, το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας της μεμβράνης του βακτηρίου χρησιμοποιείται για να στεγάσει τα απαραίτητα σύμπλοκα IMP που απαιτούνται για την επιβίωση των κυττάρων. Ωστόσο, κάθε βακτήριο είναι επίσης ικανό να μάθει περίπου έξι επιπλέον περιβαλλοντικά «σήματα». Για παράδειγμα, ένα βακτήριο μπορεί να αποκτήσει την ικανότητα να αντιστέκεται σε ένα αντιβιοτικό που εισάγεται στο περιβάλλον. Αυτό το επιτυγχάνει δημιουργώντας έναν επιφανειακό υποδοχέα που δεσμεύει και αναστέλλει τα μόρια του αντιβιοτικού. Ο νέος υποδοχέας είναι ουσιαστικά το ισοδύναμο ενός «αντισώματος» πρωτεΐνης που τα ανοσοκύτταρά μας δημιουργούν για να εξουδετερώσουν ένα διεισδυτικό αντιγόνο.
Η δημιουργία ενός νέου υποδοχέα, εξ ορισμού, υπονοεί ότι πρέπει να δημιουργηθεί ένα νέο γονίδιο που να θυμάται τον κώδικα αμινοξέων για αυτήν την πρωτεΐνη. Στα βακτήρια, αυτά τα «νέα» μνήμη Τα γονίδια υπάρχουν ως μικροσκοπικοί κύκλοι του DNA που ονομάζονται πλασμίδια. Τα πλασμίδια δεν συνδέονται φυσικά στο χρωμόσωμα που παρέχει κληρονομικότητα κυττάρων και επιπλέουν ελεύθερα στο κυτόπλασμα. Τα βακτήρια μπορούν να δημιουργήσουν κατά μέσο όρο περίπου έξι διαφορετικές πλασμίδια, το καθένα προέρχεται από μια μοναδική «εμπειρία» μάθησης. Ο περιορισμός του αριθμού των πλασμιδίων που διαθέτει το κύτταρο δεν οφείλεται στην αδυναμία παραγωγής DNA. Για το βακτήριο μπορεί να δημιουργήσει χιλιάδες αντίγραφα οποιουδήποτε από τα μεμονωμένα πλασμίδια που διαθέτει. Οι περιορισμοί πρέπει να σχετίζονται με το γεγονός ότι κάθε «νέο» σύμπλεγμα αντίληψης πρωτεΐνης απαιτεί μια μονάδα επιφάνειας για να εκφράσει τις λειτουργίες του. Η αδυναμία επέκτασης της μεμβράνης του (δηλαδή, η επιφάνεια) περιορίζει την ικανότητα του βακτηρίου να αποκτά νέες αντιλήψεις (ευαισθητοποίηση).
Όσο μεγαλύτερη συνειδητοποίηση τόσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα επιβίωσης. Περιορισμοί στα άτομα που αυξάνουν την ευαισθητοποίησή τους, οδήγησαν σε βακτήρια που ζουν σε χαλαρά δεμένες κοινότητες. Εάν ένα μεμονωμένο βακτήριο μπορεί να «μάθει» έξι γεγονότα για το περιβάλλον, από εκατό βακτήρια είναι συλλογικά ικανά να γνωρίζουν 600 γεγονότα. Τα βακτήρια ανέπτυξαν μηχανισμούς για τη μεταφορά αντιγράφων των πλασμιδίων τους σε άλλα βακτήρια της κοινότητας. Μεταφέροντας αντίγραφα του «μαθαμένου» DNA τους, μοιράζονται την «ευαισθητοποίηση» τους με την κοινότητα. Τα βακτήρια μπορούν να μεταφέρουν ένα πλασμίδιο σε άλλο άτομο. Το βακτήριο-δέκτης μπορεί να χρησιμοποιήσει τη «συνειδητοποίηση» του δωρηθέντος πλασμιδίου κατά τη διάρκεια της ζωής του, αλλά γενικά δεν μπορεί να μεταφέρει αντίγραφα του πλασμιδίου στους απογόνους των θυγατρικών κυττάρων του.
Τα βακτήρια διαθέτουν λεπτές προβολές σαν πλοκάμια που εκτείνονται από την εξωτερική τους επιφάνεια που ονομάζεται pili. Όταν το τσίλι από δύο βακτήρια αγγίξει, οι μεμβράνες του πασσάλου μπορούν να συγχωνευτούν στιγμιαία, ενώνοντας το κυτόπλασμα των δύο κυττάρων μαζί. Τη στιγμή της σύντηξης, τα δύο βακτήρια μπορούν να ανταλλάξουν αντίγραφα των πλασμιδίων τους. Τα βακτήρια είναι επίσης ικανά να καλύψουν ελεύθερο κυμαινόμενο DNA στο περιβάλλον, έτσι τα πλασμίδια που απελευθερώνονται στο περιβάλλον, όπως μπορεί να συμβεί όταν πεθαίνει ένα κύτταρο και το κυτταρόπλασμά του διαρρεύσει, μπορεί να καθαριστεί από άλλα κύτταρα. Ωστόσο, το περιβάλλον είναι ανθεκτικό στο ελεύθερο DNA και τα πλασμίδια διαλύονται εύκολα. Ένα τρίτο, πιο αποτελεσματικό μέσο διανομής πλασμιδίων «ευαισθητοποίησης» προέκυψε όταν τα βακτήρια έμαθαν πώς να συσκευάζουν το πλασμιδικό τους DNA σε προστατευτικά κελύφη πρωτεϊνών, δημιουργώντας ιούς. Οι ιοί περιέχουν «πληροφορίες» που απελευθερώνονται σε άλλα μεμονωμένα κύτταρα στο περιβάλλον. Μερικοί ιοί σκοτώνουν τα κύτταρα που τα παίρνουν, ενώ άλλοι ιοί προστατεύουν τα κύτταρα που «μολύνουν». Μερικές φορές η «πληροφορία» είναι επιβεβαιωτική για τη ζωή, μερικές φορές είναι θανατηφόρα.
Οι βακτηριακές κοινότητες εξελίχθηκαν ένα μέσο για να αυξήσουν την επιβίωσή τους αναπτύσσοντας μια εξωκυτταρική μήτρα πολυσακχαρίτη για να περιβάλουν όλα τα κύτταρα στην κοινότητα και να τα «προστατεύσουν» από τις καταστροφές του άγριου περιβάλλοντος. Τα μεμονωμένα βακτήρια μπόρεσαν να κινηθούν μέσω «αρδευόμενων» καναλιών μέσα στη μήτρα. Τα κανάλια επέτρεψαν επίσης την επικοινωνία εξωκυτταρικών υλικών και μορίων πληροφοριών, τα οποία παρείχαν μια κοινοτική ολοκλήρωση μεταξύ όλων των μελών της κοινότητας. Η κυτταρική κοινότητα μπορεί να κατοικείται με ποικιλία βακτηριακών ειδών. Για παράδειγμα, οι αναερόβιες μορφές βακτηρίων που φοβούνται το οξυγόνο μπορούν να ζουν στο κάτω μέρος μιας κοινότητας, ενώ τα αερόβια βακτήρια που αγαπούν το οξυγόνο υπάρχουν σε ανώτερα επίπεδα της ίδιας κοινότητας. Τα βακτήρια στην κοινότητα είναι εύκολα σε θέση να ανταλλάσσουν το DNA τους και έτσι επιτρέπουν στους κυτταρικούς πολίτες να αποκτήσουν εξειδικευμένες, διαφοροποιημένες λειτουργίες.
Αυτές οι βακτηριακές κοινότητες που καλύπτονται από μήτρα ονομάζονται βιοφίλμ (βλέπε εικόνα παρακάτω). Τα βιοφίλμ έχουν γίνει πολύ σημαντικά καθώς αναγνωρίζονται πλέον ότι προστατεύουν τις βακτηριακές κοινότητες από τα αντιβιοτικά. Τα βακτήρια που σχηματίζουν κοιλότητες δοντιών είναι στην πραγματικότητα κοινότητες βιοφίλμ, οι οποίες αντιστέκονται στις προσπάθειές μας να τις καθαρίσουμε από τα δόντια μας. Η ανθεκτική και προστατευτική φύση των βιοφίλμ επέτρεψε σε αυτές τις κοινότητες να είναι οι πρώτες μορφές ζωής που θα εγκαταλείψουν τον ωκεανό και θα ζήσουν στη γη.
Πριν από πολλά χρόνια, ο βιολόγος Lynn Margulis ίδρυσε την ιδέα ότι τα μιτοχόνδρια ήταν βακτηριακοί οργανισμοί που εισέβαλαν στο κυτταρόπλασμα πιο προηγμένων κυττάρων που περιέχουν πυρήνα που ονομάζονται ευκαρυώτες. Στην αρχή οι ιδέες της γελοιοποιήθηκαν από το ίδρυμα, αλλά με την πάροδο των ετών έχει γίνει μια ευρέως αποδεκτή πεποίθηση. Είναι ενδιαφέρον ότι η κατανόηση της κοινοτικής φύσης των βακτηρίων στα βιοφίλμ προσφέρει μια άλλη ερμηνεία.
Η μικρογραφία στα αριστερά απεικονίζει ένα παράδειγμα βιοφίλμ σε έναν ανθρώπινο πνεύμονα. Το μολυσματικό βακτήριο ψευδομονάδας εγκλωβίζεται σε μια σκούρα χρώση εξωκυτταρική μήτρα (βλέπε βέλος) που περιλαμβάνει ένα βιοφίλμ. Η ενθυλάκωση εντός της μήτρας προστατεύει τα βακτήρια από τις προσπάθειες του ανοσοποιητικού συστήματος να τα καταστρέψει. Η μήτρα, που αποτελείται κυρίως από υδατάνθρακες, μπορεί επίσης να περιέχει τις μυϊκές πρωτεΐνες, την ακτίνη και τη μυοσίνη, οι οποίες βρίσκονται συνδεδεμένες με τις εξωτερικές επιφάνειες ορισμένων βακτηρίων. Οι εξωτερικές πρωτεΐνες ακτίνης και μυοσίνης επιτρέπουν στα βακτήρια να κινούνται εντός της μήτρας της ταινίας.
Η μικρογραφία στα δεξιά είναι η ίδια εικόνα, αλλά με μια «μεμβράνη» που σχεδιάζεται γύρω από την περιφέρεια της ταινίας. Μια μεμβράνη γύρω από την ταινία θα επέτρεπε στη βακτηριακή κοινότητα να ελέγξει λεπτομερώς τη σύνθεση και το χαρακτήρα του περιβάλλοντός τους, μια απαραίτητη ανάπτυξη που θα ενίσχυε την επιβίωσή τους. Αυτή η τροποποιημένη μεμβράνη μοιάζει με την κυτταρολογική ανατομία του εξελικτικά πιο προηγμένου ευκαρυωτικού κυττάρου. Σε αυτήν την περίπτωση τα βακτήρια θα αντιπροσωπεύουν τα οργανίδια του κυττάρου και η μήτρα της μεμβράνης θα αντιπροσωπεύει το πλούσιο σε κυτταροσκελετικό κυτταρόπλασμα μεταξύ των οργελίων. Είναι ενδιαφέρον ότι το κυτταρόπλασμα του ευκαρυώτη διαθέτει πολλά από τα ίδια δομικά συστατικά που χαρακτηρίζουν τη μήτρα του βιοφίλμ. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για την ακτίνη και τη μυοσίνη που επιτρέπουν στα βακτήρια να κινούνται στο φιλμ με τον ίδιο τρόπο που τα οργανίδια κινούνται στο κυτόπλασμα.
Το σημείο αυτής της συζήτησης είναι ότι το πιο προηγμένο ευκαρυωτικό κύτταρο, αντί να είναι μια εξελιγμένη ενιαία οντότητα, μπορεί να αντιπροσωπεύει την εξέλιξη μιας βακτηριακής κοινότητας. Ένα κελί θα αντιπροσωπεύει μια καλά συντονισμένη κοινότητα προκαρυωτικών που έχουν διαφοροποιηθεί σε οργανίδια. Μια τέτοια υπόθεση υποστηρίζει τις πεποιθήσεις των πλειομορφικών βιολόγων, μια μικρή αλλά σταθερή ομάδα επιστημόνων που πιστεύουν ότι οι μικροοργανισμοί που σχετίζονται με την ασθένεια μπορεί να αντιπροσωπεύουν μορφές ζωής που προέκυψαν, ξεπήδησαν, από κύτταρα που πέθαναν. Βγάζει νόημα.
Ανεξάρτητα, η δεύτερη φάση της εξέλιξης είδε την προέλευση του πιο εξελιγμένου ευκαρυωτικού (πυρήνα) κυττάρου. Ωστόσο, η εξέλιξη σταμάτησε όταν το πυρηνικό κύτταρο έφτασε στο μέγιστο ειδικό μέγεθος του, επειδή υπάρχουν φυσικοί περιορισμοί που επιβάλλονται στην κυτταρική ζωή. Εάν το κελί προσπαθήσει να επεκτείνει το εμβαδόν επιφανείας του πέρα από ένα δεδομένο μέγεθος, το κελί θα γίνει ασταθές, διότι εάν υπερβαίνει ορισμένες διαστάσεις, η μεμβράνη δεν θα είναι φυσικά ικανή να περιορίσει τη μάζα του κυτταροπλάσματός της. Αυτό θα οδηγήσει σε ρήξη της μεμβράνης και απώλεια του δυναμικού της μεμβράνης (από την οποία το κύτταρο αντλεί τη ζωτική του ενέργεια). Επίσης, εάν το κύτταρο υπερβαίνει μια συγκεκριμένη διάμετρο, η διαδικασία διάχυσης δεν θα επέτρεπε αρκετό οξυγόνο για μεταβολική επεξεργασία να φτάσει στο κεντρικό τμήμα του κυττάρου.
Ως αποτέλεσμα, στην ιστορία της εξέλιξης, τα πρώτα 3 δισεκατομμύρια χρόνια συνδέονταν κυρίως με την εμφάνιση και την εξέλιξη μονοκύτταρων οργανισμών (βακτήρια, φύκια, πρωτόζωα). Ήταν η προέλευση των πολυκυτταρικών οργανισμών που αντιπροσώπευαν έναν εναλλακτικό τρόπο επέκτασης της επιφάνειας της μεμβράνης (δηλαδή, το δυναμικό ευαισθητοποίησης) πέρα από τους περιορισμούς του μεμονωμένου κυττάρου. Κατά συνέπεια, σε μια τρίτη φάση εξέλιξης, η αύξηση της βιολογικής δύναμης «υπολογιστής» (ευαισθητοποίηση) προέκυψε από την ίδια διαδικασία οργάνωσης σε κοινότητες ανώτερης τάξης. Αντί να αυξήσει την ευαισθητοποίηση για τα μεμονωμένα ευκαρυωτικά κύτταρα, η τρίτη φάση της εξέλιξης ασχολήθηκε με την ταξινόμηση μεμονωμένων «τσιπ» ευκαρυωτικών κυττάρων σε διαδραστικά συγκροτήματα.
Αυτή η «σταδιακή» εξέλιξη μοιάζει με εκείνη που συνέβη στη βιομηχανία υπολογιστών. Η Texas Instruments ανέπτυξε το τσιπ. Οι μεμονωμένες μάρκες είναι η καρδιά του απλού υπολογιστή. Ωστόσο, όταν πολλές μάρκες ενσωματώθηκαν και ενσύρθηκαν μαζί παρέχονται για τον υπολογιστή. Όταν οι μεμονωμένοι υπολογιστές έφτασαν τη μέγιστη ισχύ τους, οι υπερυπολογιστές δημιουργήθηκαν συγκεντρώνοντας πολλούς υπολογιστές σε μια οργανωμένη «κοινότητα» παράλληλης επεξεργασίας. Η σχέση του βακτηρίου με το ευκαρυωτικό κύτταρο ισοδυναμεί με τη σχέση του τσιπ με τον υπολογιστή. Η σχέση του ευκαρυωτικού κυττάρου με τον πολυκύτταρο οργανισμό είναι η ίδια με τη σχέση ενός μεμονωμένου υπολογιστή με το σύνολο σε ένα δίκτυο παράλληλης επεξεργασίας.
Στους υπολογιστές, η «ισχύς» του μηχανήματος μετράται σε χωρητικότητα χειρισμού BIT. Στους βιολογικούς οργανισμούς, το δυναμικό «ευαισθητοποίησης» αντικατοπτρίζεται στον αριθμό και την ποικιλία των ολοκληρωμένων συμπλοκών IMP. Δεδομένου ότι η ποσότητα των IMPs συνδέεται άμεσα με το "εμβαδόν επιφανείας", η ευαισθητοποίηση γίνεται παράγοντας των κοινών μεμβρανών επιφανειών στους πολυκυτταρικούς οργανισμούς.
Σκεφτείτε ότι η σχέση επιφάνειας σε σχέση με την εξέλιξη του εγκεφάλου των σπονδυλωτών. Οι πρώτοι εγκέφαλοι σπονδυλωτών είναι μικρές, λείες σφαίρες. Καθώς κάποιος ανεβαίνει την εξελικτική σκάλα, οι εγκέφαλοι γίνονται μεγαλύτεροι και η μεγαλύτερη επιφάνεια επιτυγχάνεται στη συνέχεια από αναδίπλωση της επιφάνειας του εγκεφάλου που παράγουν τους χαρακτηριστικούς σουλίους (αυλακώσεις) και γυρίδες (πτυχώσεις) πιο προηγμένων εγκεφάλων. Είναι ενδιαφέρον ότι, όταν εξετάζουμε την ευαισθητοποίηση όσον αφορά την επιφάνεια του εγκεφάλου, οι άνθρωποι βρίσκονται στη δεύτερη θέση, δεδομένου ότι οι εγκέφαλοι φώκιας και δελφινιών έχουν μεγαλύτερη επιφάνεια.
Προτείνεται ότι παρόμοια με τα μονοκύτταρα πρωτόζωα, τα ανθρώπινα όντα αντιπροσωπεύουν ένα άλλο εξελικτικό τελικό σημείο, το υψηλότερο επίπεδο ανάπτυξης για μια πολυκυτταρική βιολογική δομή. Σε μια σειρά από γεγονότα που είναι περιττά από αυτά που συνέβησαν στους δύο προηγούμενους κύκλους της εξέλιξης, η ανθρώπινη εξέλιξη συνεχίστηκε μέσω μιας διαδικασίας συναρμολόγησης και ενσωμάτωσης ατόμων σε μια πολυ-κυτταρική κοινότητα. Σε αυτήν την κοινότητα γνωστή ως ανθρωπότητα, ο ρόλος κάθε ατόμου είναι ανάλογος με αυτόν ενός μόνο κυττάρου στην ανθρώπινη κατασκευή. Στην παγκόσμια άποψη της Γης ως ζώντος οργανισμού (Gaia), οι άνθρωποι είναι τα ισοδύναμα IMP στην επιφανειακή μεμβράνη της Γης. Οι άνθρωποι, ως υποδοχείς και τελεστές, συναρμολογούνται και ενσωματώνονται σε διαμορφωμένα δίκτυα (κοινότητα) στο περίβλημα της Γης όπου λαμβάνουν περιβαλλοντικά «σήματα» και χρησιμεύουν ως μηχανισμοί μεταγωγής των μεμβρανών πυλών του πλανήτη.
Αυτές οι μελέτες αποκαλύπτουν ότι η εξέλιξη του παρελθόντος και του μέλλοντος μπορεί να μοντελοποιηθεί μαθηματικά στη δομή και την επεξεργασία της κυτταρικής μεμβράνης. Ο καλύτερος τρόπος για να οργανωθεί η δισδιάστατη επιφάνεια της μεμβράνης σε έναν τρισδιάστατο χώρο κυψέλης είναι η χρήση γεωμετρίας φράκταλ.
Στη φύση, οι περισσότερες ανόργανες και οργανικές δομές εκφράζουν ένα «ακανόνιστο» μοτίβο. Ωστόσο, μέσα στο φαινομενικό χάος των παρατυπιών, διαπιστώνεται ότι οι παράτυπες δομές επαναλαμβάνονται «τακτικά» (δηλαδή, δείχνουν μια τάξη). Για παράδειγμα, το μοτίβο διακλάδωσης στο κλαδί ενός δέντρου είναι συχνά το ίδιο μοτίβο διακλάδωσης που παρατηρείται στον κορμό του δέντρου. Το μοτίβο διακλάδωσης ενός μεγάλου ποταμού είναι ίδιο με το πρότυπο διακλάδωσης που παρατηρείται κατά μήκος των μικρότερων παραποτάμων του. Το μοτίβο των κλαδιών κατά μήκος του βρόγχου είναι μια επανάληψη του μοτίβου των κλαδιών των αεραγωγών κατά μήκος των μικρότερων βρογχιόλων. Παρόμοιες εικόνες επαναλαμβανόμενων μοτίβων διακλάδωσης στο σώμα αποκαλύπτονται στα αρτηριακά και φλεβικά αιμοφόρα αγγεία και στο περιφερικό νευρικό σύστημα.
Ο Γάλλος μαθηματικός, Benoit Mandelbrot ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε ότι η γεωμετρία πολλών αντικειμένων της Φύσης αποκάλυψε ένα παρόμοιο μοτίβο ανεξάρτητα από την κλίμακα στην οποία εξετάστηκε. Όσο περισσότερο μεγεθύνετε την εικόνα, τόσο περισσότερο φαίνεται η δομή. Ο Mandelbrot εισήγαγε τον όρο «αυτο-παρόμοιο» για να περιγράψει τέτοια αντικείμενα. «Το 1975, ο Mandelbrot επινόησε τη λέξη fractal ως μια βολική ετικέτα για ακανόνιστα και κατακερματισμένα όμοια σχήματα.
Τα μαθηματικά των fractals είναι εκπληκτικά απλό, καθώς συνίσταται στην επανάληψη «λειτουργιών» προσθηκών και πολλαπλασιασμών. Στη διαδικασία, το αποτέλεσμα μιας λειτουργίας χρησιμοποιείται ως είσοδος για την επόμενη λειτουργία. Το αποτέλεσμα αυτής της λειτουργίας χρησιμοποιείται στη συνέχεια ως είσοδος για την επόμενη λειτουργία και ούτω καθεξής. Μαθηματικά, όλες οι «λειτουργίες» χρησιμοποιούν τον ίδιο ακριβώς τύπο, ωστόσο, πρέπει να επαναληφθούν εκατομμύρια φορές για να βρουν τη λύση. Η χειρωνακτική εργασία και ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση μιας εξίσωσης φράκταλ εμπόδισε τους μαθηματικούς να αναγνωρίσουν την «δύναμη» της Fractal Geometry μέχρι την έλευση ισχυρών υπολογιστών που επέτρεψαν στον Benoit Mandelbrot να καθορίσει αυτό το νέο μαθηματικό.
Στην κλασική γεωμετρία, τα σημεία, οι γραμμές, οι επιφάνειες και οι κυβικές δομές αντιπροσωπεύουν όλες τις διαστάσεις που εκφράζονται σε ακέραιους αριθμούς, 0-, 1-, 2- και 3-διαστάσεις, αντίστοιχα. Η γεωμετρία του φράκταλ χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση εικόνων που είναι πιο «διαστατικές». Για παράδειγμα, μια καμπύλη γραμμή είναι ένα μονοδιάστατο αντικείμενο. Στα fractals η καμπύλη μπορεί να τρεκλίζει τόσο πολύ που πλησιάζει πραγματικά το γέμισμα του επιπέδου. Εάν η καμπύλη της γραμμής είναι σχετικά απλή, πλησιάζει μια διάσταση 1. Εάν οι καμπύλες της γραμμής είναι τόσο σφιχτά συσκευασμένες που γεμίζουν το χώρο, η γραμμή πλησιάζει τις 1 διαστάσεις. Η γεωμετρία Fractal συμπληρώνει τα διαστήματα μεταξύ των διαστάσεων ακέραιου αριθμού.
Ένα δομικό χαρακτηριστικό των fractals είναι σχετικά απλό να γίνει κατανοητό: τα fractals εμφανίζουν ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο «δομών» που είναι τοποθετημένα το ένα μέσα στο άλλο. Κάθε μικρότερη δομή είναι μια μικρογραφία, αλλά όχι απαραίτητα μια ακριβής έκδοση της μεγαλύτερης φόρμας. Τα μαθηματικά Fractal τονίζουν τη σχέση μεταξύ των προτύπων που φαίνονται στο σύνολο και των προτύπων που εμφανίζονται σε μέρη αυτού του συνόλου. Για παράδειγμα, το μοτίβο των κλαδιών σε ένα κλαδί μοιάζει με το μοτίβο των άκρων που διακλαδίζονται από τον κορμό. Τα αντικείμενα φράκταλ μπορούν να αναπαρασταθούν από ένα «κουτί» μέσα σε ένα «κουτί», μέσα σε ένα «κουτί», μέσα σε ένα «κουτί» κ.λπ. Εάν κάποιος γνωρίζει τις παραμέτρους του πρώτου «κουτιού», τότε κάποιος παρέχεται αυτόματα με το βασικό μοτίβο που χαρακτηρίζει όλα τα άλλα (μεγαλύτερα ή μικρότερα) «κουτιά».
Όπως περιγράφεται στο άρθρο «Μαθηματικά της ανθρώπινης ζωής» από τον W. Allman (αναφέρεται στην ενότητα αναφοράς), «Οι μαθηματικές μελέτες των φράκταλ αποκαλύπτουν ότι η δομή διακλάδωσης-εντός-διακλάδωσης ενός φράκταλ αντιπροσωπεύει τον καλύτερο τρόπο για να αποκτήσετε την περισσότερη επιφάνεια εντός τριών - διαστατικός χώρος…. ” Ενώ η κυτταρική μεμβράνη είναι στην πραγματικότητα ένα τρισδιάστατο αντικείμενο, η μοριακή διπλοστοιβάδα της έχει ένα σταθερό και ομοιόμορφο πάχος. Ως εκ τούτου, το πάχος της μεμβράνης μπορεί να αγνοηθεί και η μεμβράνη μπορεί να διαμορφωθεί ως δισδιάστατη δομή «επιφάνειας». Δεδομένου ότι η εξέλιξη είναι η μοντελοποίηση της ευαισθητοποίησης της μεμβράνης (που σχετίζεται με την επιφάνεια της), η αποτελεσματικότητα της μοντελοποίησης που παρέχεται από τη γεωμετρία του φράκταλ θα αντικατοπτρίζει κατά πάσα πιθανότητα αυτήν που επέλεξε η Φύση.
Το θέμα δεν είναι να εμπλακούν στα μαθηματικά της μοντελοποίησης. Το θέμα είναι ότι το μοντέλο fractal προβλέπει ότι η εξέλιξη θα βασίζεται σε ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο «δομών» φωλιασμένων μεταξύ τους! Πιο συγκεκριμένα, καθώς σχετίζεται με μια έννοια του Fractal Evolution, «το μοτίβο του συνόλου φαίνεται στα μέρη του συνόλου», αυτό σημαίνει ότι το μοτίβο του ανθρώπου φαίνεται στα μέρη (κύτταρα) του ανθρώπου. Εάν κάποιος έχει επίγνωση του τρόπου με τον οποίο ένα κελί οργανώνεται λειτουργικά, από αυτό παρέχεται επίσης εικόνα για την οργάνωση ενός ανθρώπου. Σκεφτείτε αυτό: οι εικόνες fractal μικρότερων δομών είναι μικρογραφίες του μεγαλύτερου συνόλου. Ως εκ τούτου, ενώ η δομή του ανθρώπου είναι μια παρόμοια εικόνα των δικών τους κυττάρων, η δομή του ανθρώπινου πολιτισμού θα αντιπροσωπεύει μια αυτο-παρόμοια δομή των συστατικών του ανθρώπων!
Οι άνθρωποι είναι μια φράκταλ εικόνα της κοινωνίας, τα κύτταρα είναι μια φράκταλ εικόνα του ανθρώπου. Στην πραγματικότητα, τα κύτταρα είναι και μια φράκταλ εικόνα της κοινωνίας. Η φράκταλ φύση της εξέλιξης υπονοείται περαιτέρω από τα επαναλαμβανόμενα, αυτο-ίδια πρότυπα που παρατηρούνται σε καθέναν από τους τρεις κύκλους της εξέλιξης.