Evolucio per Pecoj kaj Pecoj: Enkonduko al Fraktala Evoluo
La membranlimo ĉirkaŭanta ĉiun biologian ĉelon konsistas el la struktura bazo de biologia procesora sistemo (vidu artikolon: Ĉela Konscio). Kiel procesoro, la membranaj riceviloj de la ĉelo esploras la ĉirkaŭaĵon pri signaloj. Evidente la medio abundas per signaloj. Se ĉiuj signaloj estus aŭdeblaj, la medio sonus kiel bruanta bruo. Tamen la specifeco de ricevo, kiu estas karakteriza por ĉiu ricevilo IMP, ebligas al ĝi distingi sian komplementan signalon el ĉiuj miksitaj ĉirkaŭaj bruoj. La kapablo de la ĉelo selekte filtri utilajn informojn el "kaosa" bruo similas la funkcion de Fourier-transformoj [matematikaj filtradaj procezoj, kiuj trovas signalojn ene de tio, kio ŝajnas esti bruo] sur kompleksaj enigoj por percepti specifajn oftecojn kiel informajn signalojn. Dum la medio estas iusence "oticaosa", kun centoj kaj miloj da samtempe esprimitaj "signaloj", la ĉelo povas selekte legi nur tiujn signalojn, kiuj rilatas al ĝia ekzisto.
Surbaze de la funkciaj kaj strukturaj ecoj de la ĉela membrano, ĉiu unuopa ĉelo (ekz. Amebo) reprezentas a memelektra mikrokomputila sistemo. Kiel en ciferecaj komputiloj, la potenco aŭ informmanipulado de la "ĉela" komputilo estas determinitaj per la nombro de ĝiaj BIT-oj, kiujn ĝi povas administri. En komputiloj, la BIToj estas pordegaj / kanalaj kompleksoj, en la membranprocesoro, la BIToj estas reprezentataj de receptoraj / efektoraj kompleksoj. La IMP-molekuloj konsistantaj el la BIToj de la ĉelo havas difinitajn fizikajn parametrojn kaj tial povas esti "mezuritaj".
La dimensio de la IMP-proteinoj estas proksimume la sama kiel la dikeco de la membrano. Ĉar la IMPoj, laŭdifine, loĝas ene de la bitavolo de la membrano, la proteinoj nur povas esti aranĝitaj kiel unutavola (signifante ke la IMPoj ne povas esti stakigitaj unu sur la alian). Por uzi la panon kaj buteron kaj olivan sandviĉan metaforon, ekzistas nur tiom da olivoj, kiuj povas esti tavoligitaj sur la pano. Por havi pli da olivoj en la sandviĉo necesas uzi pli grandan tranĉaĵon da pano. La samo validas por pliigi la nombron de percept-IMP-unuoj en la membrano: ju pli da IMPoj-des pli da surfaca areo de membrano necesas por teni ilin. La kapablo de prilaborado de informoj de la ĉelo (reflektita en la nombro de perceptaj proteinoj) estas rekte ligita al la surfaca areo de la membrano.
La profunda punkto de ĉi tiu diskurso ... Biologia konscio estas mezurebla posedaĵo, kaj ĝi estas rekte rilatigita kun la surfaca areo de la membrano de la ĉelo. Sekve la komputila potenco de ĉelo estas fizike determinita per limoj truditaj al ĉelaj dimensioj.
la unua fazo de evoluo de vivo koncernis la disvolviĝon kaj rafinadon de la individua biologia komputila 'peceto', la primitiva bakterio. La grandeco de ĉi tiuj primitivaj organismoj estas limigita de la fakto, ke ili posedas rigidan eksteran skeleton, derivitan de la polisakaridoj de la glikokaliko. La matrico produktita per la krucligado de la sukermolekuloj en ĉi tiu "mantelo" provizas la protektan "skeleton" de la ĉelo, nomatan kapsulo. La kapsulo fizike subtenas kaj protektas la maldikan membranon de la ĉelo de krevo sub la streĉoj de osmota premo.
Osmota premo estas la forto generita de la deziro de akvo moviĝi tra membrano por "ekvilibrigi" la koncentriĝon de partikloj ambaŭflanke de la membrana baro. La citoplasmo de la ĉelo estas plena de eroj kompare kun la akvo en kiu loĝas ĉeloj. Akvo de la ekstera medio trairos la membranon por dilui la koncentriĝon de citoplasmaj partikloj. La ĉelo ŝveliĝus per akvo kaj la premo kaŭzus la delikatan membranan bitavolon krevi, mortigante la ĉelon. La glikokaliksa eksterskeleto rezistas vivminacan osmozan premon.
Bakterioj estas la ĉela ekvivalento de senvertebruloj, (bestoj ne posedantaj internan subtenan skeleton (ekz. Konkoj, insektoj, meduzaj fiŝoj). Dum la skeleto protektas la bakterion, ĝia rigida naturo ankaŭ limigas ĝin. La grandeco de la bakteria ĉelo estas limigita de ĝia ekstera kapsulo. La grandeco-limigo limigas la kvanton de membrano, kiun la ĉelo povas posedi. Membrana surfaca areo estas proporcia al konscio, surbaze de la nombro de IMPoj, kiujn ĝi povas enhavi. La bakteria kapsulo limigas la evoluon de la ĉelo, ĉar estas limo pri la nombro de unuoj. de percepto la membrano povas enhavi.
Fakte plejparto de la membrana surfaca areo de la bakterio estas uzata por gastigi la necesajn IMP-kompleksojn necesajn por ĉela postvivado. Tamen ĉiu bakterio ankaŭ kapablas lerni pri ses pliaj mediaj "signaloj". Ekzemple, bakterio povas akiri la kapablon rezisti antibiotikon enmetitan en la medion. Ĝi faras tion per kreado de surfaca receptoro, kiu ligas kaj malhelpas la molekulojn de la antibiotiko. La nova ricevilo estas esence la ekvivalento de proteina "antikorpo", kiun kreas niaj imunaj ĉeloj por neŭtrigi invadan antigenon.
La kreo de nova receptoro, laŭdifine, implicas, ke devas esti nova geno kreita por memori la aminoacidan kodon por tiu proteino. En bakterioj, ĉi tiuj "novaj" memoro genoj ĉeestas kiel etaj cirkloj de DNA nomataj plasmidoj. La plasmidoj ne estas fizike alkroĉitaj al la heredec-proviza kromosomo de ĉelo kaj flosas libere en la citoplasmo. Bakterioj kapablas krei mezume ĉirkaŭ ses malsamaj plasmidoj, ĉiu derivita de unika lerna "sperto." La limigo pri la nombro de plasmidoj, kiujn posedas la ĉelo, ne ŝuldiĝas al nekapablo produkti DNA. Ĉar la bakterio povas fari milojn da kopioj de iuj el la individuaj plasmidoj, kiujn ĝi posedas. La limigoj devas esti rilataj al la fakto ke ĉiu "nova" proteina perceptokomplekso postulas unuon de surfaca areo esprimi siajn funkciojn. La malkapablo vastigi sian membranon (t.e. surfacareo) limigas la kapablon de la bakterio akiri novajn perceptojn (konscio).
Ju pli da konscio des pli granda estas la kapablo pluvivi. Limigoj al individuoj pliigantaj sian konscion kondukis al bakterioj loĝantaj en loze trikitaj komunumoj. Se individua bakterio povas "lerni" ses faktojn pri la medio, pli ol cent bakterioj kolektive kapablas konscii pri 600 faktoj. Bakterioj disvolvis mekanismojn translokigi kopiojn de siaj plasmidoj al aliaj bakterioj en la komunumo. Transdonante kopiojn de sia "lernita" DNA, ili dividas sian "konscion" kun la komunumo. Bakterioj povas transdoni plasmidon al alia individuo. La ricevanta bakterio povas uzi la "konscion" de la donacita plasmido dum sia vivo, sed ĝenerale ne povas transdoni kopiojn de la plasmido al sia filino.
Bakterioj posedas fajnajn tentakl-similajn projekciojn kiuj etendiĝas de sia ekstera surfaco nomita pilus. Kiam la piloj de du bakterioj tuŝas, la pilusaj membranoj povas momente kunfandiĝi, kunigante la citoplasmon de la du ĉeloj. En la momento de kunfandiĝo, la du bakterioj povas interŝanĝi kopiojn de siaj plasmidoj. Bakterioj ankaŭ kapablas liberigi flosantan DNA en la medio, do plasmidoj liberigitaj en la medion, kiel povus okazi kiam ĉelo mortas kaj ĝia citoplasmo elfluas, povas esti forĵetitaj de aliaj ĉeloj. Tamen la medio malfacilas libere flosantan DNA kaj la plasmidoj facile rompiĝas. Tria, pli efika rimedo por disdoni "konsciencajn" plasmidojn ekestis kiam bakterioj lernis kiel enpaki sian plasmidan DNA en protektajn proteinajn ŝelojn, kreante virusojn. Virusoj enhavas "informojn", kiuj estas liberigitaj al aliaj individuaj ĉeloj en la ĉirkaŭaĵo. Iuj virusoj mortigas la ĉelojn, kiuj kaptas ilin, dum aliaj virusoj protektas la ĉelojn, kiujn ili "infektas". Iafoje "informoj" vivasertas, foje ĝi estas mortiga.
Bakteriaj komunumoj evoluigis rimedon por pliigi sian supervivon per deplojo de polisakarida eksterĉela matrico por envolvi ĉiujn ĉelojn en la komunumo kaj "protekti" ilin kontraŭ la detruoj de la sovaĝa medio. Individuaj bakterioj povis moviĝi tra "irigaciitaj" kanaloj ene de la matrico. La kanaloj ankaŭ permesis komunikadon de eksterĉelaj materialoj kaj informaj molekuloj, kiuj provizis komunan integriĝon inter ĉiuj membroj de la komunumo. La ĉela komunumo povas esti loĝita kun diversaj bakteriaj specioj. Ekzemple, oksigen-timantaj malaerobajn formojn de bakterioj povas vivi ĉe la fundo de komunumo, dum oksigen-amaj aerobaj bakterioj ĉeestas en supraj niveloj de la sama komunumo. Bakterioj ene de la komunumo facile interŝanĝas sian DNA, kaj tiel ebligas al la ĉelaj civitanoj akiri specialigitajn, diferencigitajn funkciojn.
Ĉi tiuj matric-enfermitaj bakteriaj komunumoj nomiĝas biofilmoj (vidu ilustraĵon sube). Biofilmoj fariĝis tre gravaj, ĉar ili nun estas agnoskitaj por protekti bakteriajn komunumojn de antibiotikoj. La bakterioj, kiuj formas dentajn kavojn, estas fakte biofilmaj komunumoj, kiuj rezistas niajn klopodojn forigi ilin de niaj dentoj. La rezistema kaj protekta naturo de la biofilmoj ebligis al ĉi tiuj komunumoj esti la unuaj vivoformoj se temas pri forlasi la oceanon kaj loĝi sur la tero.
Antaŭ multaj jaroj, biologo Lynn Margulis fondis la koncepton, ke mitokondrioj estas bakteriaj organismoj, kiuj invadis la citoplasmon de pli progresintaj ĉeloj kun nukleo, nomataj eŭkariotoj. Unue ŝiaj ideoj estis ridindigitaj de la establo, sed tra la jaroj ĝi fariĝis vaste akceptita kredo. Kurioze, kompreno de la komuna naturo de bakterioj en biofilmoj ofertas alian interpreton.
La mikrografo maldekstre ilustras ekzemplon de biofilmo en homa pulmo. La infekta pseŭdomona bakteria aro estas enfermita en malhela makula eksterĉela matrico (vidu sagon) konsistanta el biofilmo. Enkapsuligo ene de la matrico protektas la bakteriojn kontraŭ la penoj de la imunsistemo detrui ilin. La matrico, ĉefe el karbonhidratoj, povas ankaŭ enhavi la muskolajn proteinojn, aktinon kaj miozinon, kiuj troviĝas ligitaj al la eksteraj surfacoj de iuj bakterioj. La eksteraj aktinoj kaj miozinaj proteinoj ebligas al la bakterioj moviĝi ene de la matrico de la filmo.
La mikrografo dekstre estas la sama bildo, sed kun "membrano" desegnita ĉirkaŭ la periferio de la filmo. Membrano ĉirkaŭ la filmo ebligus al la bakteria komunumo fajne regi la konsiston kaj karakteron de ilia ĉirkaŭaĵo, necesa evoluo, kiu plibonigus ilian postvivadon. Ĉi tiu modifita filmo similas al la citologia anatomio de la evolue pli progresinta eŭkariota ĉelo. Ĉi-kaze la bakterioj reprezentus la organetojn de la ĉelo kaj la matrico de la filmo reprezentus la citoskelet-riĉan citoplasmon inter la organetoj. Kurioze, la citoplasmo de eŭkariotoj posedas multajn samajn strukturajn erojn, kiuj karakterizas la matricon de la biofilmo. Ĉi tio precipe validas pri la aktino kaj miozino, kiuj ebligas al la bakterioj moviĝi en la filmo same kiel moviĝas organetoj en la citoplasmo.
La punkto de ĉi tiu diskuto estas, ke la pli progresinta eŭkariota ĉelo, anstataŭ esti evoluinta ununura ento, povus reprezenti la evoluon de bakteria komunumo. Ĉelo reprezentus fajne agorditan komunumon de prokariotoj, kiuj diferenciĝis en organetojn. Tia hipotezo subtenas la kredojn de pleomorfaj biologoj, malgranda sed fervora grupo de sciencistoj, kiuj kredas, ke malsanaj mikroorganismoj povas reprezenti vivoformojn, kiuj estiĝis, burĝonantaj, de mortantaj ĉeloj. Havas sencon.
Sendepende de tio, la dua fazo de evoluo ekestis la originon de la pli kompleksa eŭkariota (nuklea) ĉelo. Tamen evoluo ĉesis kiam la nuklea ĉelo atingis sian maksimuman specifan grandecon, ĉar ekzistas fizikaj limigoj truditaj al ĉela vivo. Se la ĉelo provas vastigi sian surfacan areon preter donita grandeco, la ĉelo fariĝos malstabila, ĉar se ĝi superas iujn dimensiojn, la membrano ne povos fizike limigi la mason de sia citoplasmo. Ĉi tio kaŭzos rompon de la membrano kaj perdo de la membrana potencialo (de kiu la ĉelo ĉerpas sian vivigan energion). Ankaŭ, se la ĉelo superas certan diametron, la disvastiga procezo ne ebligus sufiĉe da oksigeno por metabola prilaborado atingi la centran parton de la ĉelo.
Rezulte, en la historio de evolucio, la unuaj 3 miliardoj da jaroj estis ĉefe asociitaj kun aspekto kaj evoluo unuĉelaj organismoj (bakterioj, algoj, protozooj). Ĝi estis la origino de plurĉelaj organismoj, kiuj reprezentis alternativan manieron vastigi la membranan surfacan areon (t.e., konsciopotencialo) preter la limoj de la unuopa ĉelo. Sekve, en tio, kio signifis trian fazon de evoluo, pliigo de biologia "komputila" potenco (konscio) rezultis de la sama procezo de organizado en komunumoj de pli alta ordo. Prefere ol kreskanta konscio pri la individua eŭkariota ĉelo, la tria evolua fazo zorgis pri la ordigado de "pecetoj" de individuaj eŭkariotaj ĉeloj en interagajn arojn.
Ĉi tiu "fazado" de evoluo similas al tio, kio okazis en la komputila industrio. Texas Instruments disvolvis la blaton. Individuaj blatoj estas la koro de la simpla kalkulilo. Tamen, kiam multaj pecetoj estis integritaj kaj kabligitaj kune ili zorgis pri la komputilo. Kiam unuopaj komputiloj atingis sian maksimuman potencon, superkomputiloj kreiĝis kunmetante multajn komputilojn en organizitan paralelan prilaboran "komunumon". La rilato de la bakterio al la eŭkariota ĉelo egalas al la rilato de la blato kun la komputilo. La rilato de la eŭkariota ĉelo al la plurĉela organismo samas kiel la rilato de individua komputilo al la tuto en paralel-prilaboranta reto.
En komputiloj, la "potenco" de la maŝino estas mezurita per BIT-manipuladaj kapabloj. En biologiaj organismoj, la "konscia" potencialo reflektas en la nombro kaj vario de integraj IMP-kompleksoj. Ĉar la kvanto de IMPoj estas rekte ligita al "surfaca areo", konscio fariĝas faktoro de komunaj membranaj surfacoj en la plurĉelaj organismoj.
Konsideru tiun surfacan rilaton rilate al vertebrula cerba evoluo. Unuaj vertebrulaj cerboj estas malgrandaj, glataj sferoj. Kiam oni supreniras la evoluan ŝtupetaron, la cerboj fariĝas pli grandaj kaj pli surfaca areo poste devenas de enfaldiĝoj de la cerba surfaco, kiuj produktas la karakterizajn sulcojn (fendojn) kaj girojn (faldojn) de pli progresintaj cerboj. Kurioze, kiam oni konsideras konscion rilate al cerba surfaco, homoj estas en dua loko, ĉar cerboj de porkoceto kaj delfeno havas pli grandan surfacon.
Oni proponas, ke simile al unuĉelaj protozooj, homoj reprezentas alian evoluan finpunkton, la plej altan disvolvan nivelon por plurĉela biologia strukturo. En serio de eventoj redundaj al tiuj okazintaj en la antaŭaj du cikloj de evoluo, homa evoluo daŭris per procezo de kunveno kaj integriĝo de individuoj en plurĉelan komunumon. En ĉi tiu komunumo konata kiel homaro, la rolo de ĉiu homo estas analoga al tiu de unuopa ĉelo en la homa konstruo. Laŭ la tutmonda vidpunkto de la Tero kiel viva organismo (Gaia), homoj estas la IMP-ekvivalentoj en la surfaca membrano de la Tero. Homoj, kiel riceviloj kaj efektoroj, kunvenas kaj integriĝas en strukturitaj retoj (komunumo) en la koverto de la Tero, en kiu ili ricevas mediajn "signalojn" kaj funkcias kiel ŝanĝaj mekanismoj de la membranaj pordoj de la planedo.
Ĉi tiuj studoj malkaŝas, ke pasinta kaj estonta evoluo povas esti matematike modeligita en la strukturo kaj ellaborado de la ĉela membrano. La plej bona maniero organizi dudimensian membranan surfacareon en tridimensian ĉelspacon estas uzi fraktalan geometrion.
En Naturo, plej multaj neorganikaj kaj organikaj strukturoj esprimas "neregulan" ŝablonon. Tamen, ene de la ŝajna kaoso de la malregulaĵoj, oni trovas, ke la malregulaj strukturoj estas "regule" ripetataj (t.e. ili montras formon de ordo). Ekzemple, la ŝablono disbranĉigi en arbobranĉeto ofte estas la sama ŝablono disbranĉiĝanta, kiu estas observata sur la arbotrunko. La padrono de disbranĉigo de grava rivero estas identa al la padrono de disbranĉigo observita laŭ ĝiaj pli malgrandaj alfluantoj. La ŝablono de branĉoj laŭ la bronko estas ripeto de la ŝablono de aervojaj branĉoj laŭ la plej malgrandaj bronkioloj. Similaj bildoj de ripetaj disbranĉiĝaj ŝablonoj en la korpo malkaŝiĝas en la arteriaj kaj venaj sangaj vaskuloj kaj ekstercentra nerva sistemo.
La franca matematikisto, Benoit Mandelbrot, estis la unua, kiu rekonis, ke la geometrio de multaj el la naturaj objektoj malkaŝis similan ŝablonon sendepende de la skalo sur kiu ĝi estis ekzamenita. Ju pli vi pligrandigas la bildon, des pli la strukturo aspektas same. Mandelbrot enkondukis la esprimon "mem-simila" por priskribi tiajn objektojn. “En 1975, Mandelbrot kreis la vorton fraktalo kiel oportuna etikedo por neregulaj kaj fragmentaj mem-similaj formoj.
La matematiko de fraktaloj estas mirinde simpla, ĉar ĝi konsistas el ripetado de "operacioj" de aldonoj kaj multiplikoj. En la procezo, la rezulto de unu operacio estas uzata kiel enigo por la posta operacio; la rezulto de tiu operacio estas tiam uzata kiel enigaĵo por la sekva operacio, ktp. Matematike, ĉiuj "operacioj" uzas la saman formulon, tamen ili devas esti ripetitaj milionojn da fojoj por akiri la solvon. La mana laboro kaj tempo necesaj por kompletigi fraktan ekvacion malhelpis matematikistojn rekoni la "potencon" de Fraktala Geometrio ĝis la apero de potencaj komputiloj ebligis al Benoit Mandelbrot difini ĉi tiun novan matematikon.
En klasika geometrio la punktoj, linioj, surfacaj areoj kaj kubaj strukturoj ĉiuj reprezentas dimensiojn esprimitajn en tutaj entjeroj, respektive 0-, 1-, 2- kaj 3-dimensioj. Fraktala geometrio estas uzata por modeligi bildojn pli "interdimensiajn." Ekzemple kurba linio estas unudimensia objekto. En fraktaloj la kurbo povas zigzagi tiom, ke ĝi efektive proksimiĝas al plenigado de la aviadilo. Se la kurbo de la linio estas relative simpla ĝi estas proksima al dimensio de 1. Se la kurboj de la linio estas tiel streĉe pakitaj, ke ili plenigas la spacon, la linio alproksimiĝas al 1-dimensioj. Fraktala Geometrio plenigas la spacojn inter tutnombraj dimensioj.
Struktura karakterizaĵo de fraktaloj estas relative simple komprenebla: fraktaloj montras ripetitan ŝablonon de "strukturoj" nestitaj unu en la alia. Ĉiu pli malgranda strukturo estas miniaturo, sed ne nepre ĝusta versio de la pli granda formo. Fraktala matematiko emfazas la rilaton inter la ŝablonoj vidataj en la tuto kaj la ŝablonoj vidataj en partoj de tiu tuto. Ekzemple, la ŝablono de branĉetoj sur branĉo similas al la ŝablono de membroj disbranĉiĝantaj de la trunko. Fraktalaj objektoj povas esti reprezentataj per "skatolo" ene de "skatolo", ene de "skatolo", ene de "skatolo" ktp. Se oni konas la parametrojn de la unua "skatolo", tiam oni aŭtomate provizas la bazan ŝablono, kiu karakterizas ĉiujn aliajn (pli grandajn aŭ pli malgrandajn) "skatolojn."
Kiel priskribite en la artikolo Matematiko de Homa Vivo de W. Allman (citita en referenca sekcio), "Matematikaj studoj pri fraktaloj malkaŝas, ke la disbranĉiĝa strukturo de fraktalo reprezentas la plej bonan manieron akiri la plej grandan surfacon ene de tri -dimensia spaco .... " Dum la ĉela membrano estas fakte 3-dimensia objekto, ĝia molekula bitavolo posedas konstantan kaj unuforman dikecon. Kiel tia la dikeco de la membrano povas esti ignorita kaj la membrano povas esti modeligita kiel 2-dimensia "surfaca" strukturo. Ĉar evolucio estas la modeligado de la konscio de la membrano (rilata al sia surfaca areo), la efikeco de modeligado donita de fraktala geometrio plej verŝajne reflektus tiun elektitan de Naturo.
La afero ne estas kaptiĝi en la matematiko de la modelado. La afero estas, ke la fraktala modelo antaŭdiras, ke evoluo baziĝos sur ripetita ŝablono de "strukturoj 'nestitaj unu en la alia! Pli specife, ĉar ĝi rilatas al koncepto de Fraktala Evoluo, "la ŝablono de la tuto vidiĝas en la partoj de la tuto", ĉi tio signifas, ke la ŝablono de la homo vidiĝas en la partoj (ĉeloj) de la homo. Se oni konscias pri la ŝablono laŭ kiu ĉelo estas funkcie organizita, tiam oni ankaŭ donas al vi sciojn pri la organizado de homo. Konsideru ĉi tion: la fraktalaj bildoj de pli malgrandaj strukturoj estas miniaturoj de la pli granda tuto. Tial, dum la strukturo de homoj estas mem-simila bildo de siaj propraj ĉeloj, la strukturo de homa civilizo reprezentus mem-similan strukturon de ĝiaj komponantaj homoj!
Homoj estas fraktala bildo de la socio, ĉeloj estas fraktala bildo de la homo. Fakte ankaŭ ĉeloj estas fraktala bildo de la socio. La fraktala naturo de evoluo estas plue implicita de la ripetitaj mem-samaj padronoj observitaj en ĉiu el la tri cikloj de evolucio.