Evolución por bits y piezas: una introducción a la evolución fractal
El límite de la membrana que envuelve cada célula biológica comprende la base estructural de un sistema de procesamiento biológico (ver artículo: Conciencia celular). Como procesador, los receptores de la membrana celular escanean el entorno en busca de señales. Evidentemente, el entorno está inundado de señales. Si todas las señales fueran audibles, el ambiente sonaría como un ruido estruendoso. Sin embargo, la especificidad de recepción que es característica de cada receptor IMP, le permite distinguir su señal complementaria de todo el ruido ambiental mezclado. La capacidad de la célula para filtrar selectivamente información útil a partir del ruido "caótico" se asemeja a la función de las transformaciones de Fourier [procesos de filtrado matemático que encuentran señales dentro de lo que parece ser ruido] en entradas complejas para percibir frecuencias específicas como señales informativas. Si bien el entorno es en cierto sentido "caótico", con cientos y miles de "señales" expresadas simultáneamente, la célula puede leer selectivamente solo aquellas señales que son relevantes para su existencia.
Según las características funcionales y estructurales de la membrana celular, cada célula individual (p. Ej., Ameba) representa una sistema de microordenador autoalimentado. Al igual que en las computadoras digitales, la potencia o la capacidad de manejo de información de la computadora "celular" está determinada por el número de sus BIT que puede administrar. En las computadoras, los BIT son complejos de puerta / canal, en el procesador de membrana, los BIT están representados por complejos de receptor / efector. Las moléculas de IMP que comprenden los BIT de la célula tienen parámetros físicos definidos y, por lo tanto, se pueden "medir".
La dimensión de las proteínas IMP es aproximadamente la misma que el grosor de la membrana. Dado que los IMP, por definición, residen dentro de la bicapa de la membrana, las proteínas solo se pueden organizar como una monocapa (lo que significa que los IMP no se pueden apilar entre sí). Para usar la metáfora del pan con mantequilla y el sándwich de aceitunas, hay un número limitado de aceitunas que se pueden colocar en capas sobre el pan. Para tener más aceitunas en el sándwich se requiere el uso de una rebanada de pan más grande. Lo mismo se aplica al aumento del número de unidades de percepción-IMP en la membrana: cuantas más IMP, más área de superficie de membrana se requiere para mantenerlas. La capacidad de procesamiento de información de la célula (reflejada en el número de proteínas de percepción) está directamente relacionada con el área de superficie de la membrana.
El punto profundo de este discurso ... La conciencia biológica es una propiedad medible, y es directamente correlacionado con el área de superficie de la membrana celular. En consecuencia, la potencia informática de una celda está determinada físicamente por las limitaciones impuestas a las dimensiones celulares.
La primera fase de evolución de la vida se refería al desarrollo y refinamiento del "chip" biológico de la computadora, la bacteria primitiva. El tamaño de estos organismos primitivos está limitado por el hecho de que poseen un esqueleto exterior rígido, derivado de los polisacáridos del glucocáliz. La matriz producida por la reticulación de las moléculas de azúcar en esta "capa" proporciona el "esqueleto" protector de la célula, llamado cápsula. La cápsula sostiene físicamente y protege la delgada membrana de la célula para que no se rompa bajo las tensiones de la presión osmótica.
La presión osmótica es la fuerza generada por el deseo del agua de moverse a través de una membrana para "equilibrar" la concentración de partículas en cada lado de la barrera de la membrana. El citoplasma de la célula está lleno de partículas en comparación con el agua en la que viven las células. El agua del ambiente externo pasará a través de la membrana para diluir la concentración de partículas citoplasmáticas. La célula se hincharía con agua y la presión haría que la delicada bicapa de la membrana se rompiera, matando a la célula. El exoesqueleto del glucocáliz resiste la presión osmótica potencialmente mortal.
Las bacterias son el equivalente celular de los invertebrados (animales que no poseen un esqueleto de soporte interno (p. Ej., Almejas, insectos, medusas). Si bien el esqueleto protege a la bacteria, su naturaleza rígida también la limita. El tamaño de la célula bacteriana está limitado por su cápsula. La limitación de tamaño restringe la cantidad de membrana que puede poseer la célula. El área de la superficie de la membrana es proporcional a la conciencia, según la cantidad de IMP que puede contener. La cápsula bacteriana limita la evolución de la célula, ya que hay un límite en la cantidad de unidades de percepción que la membrana puede contener.
De hecho, la mayor parte de la superficie de la membrana de la bacteria se utiliza para albergar los complejos IMP necesarios para la supervivencia celular. Sin embargo, cada bacteria también es capaz de aprender sobre seis "señales" ambientales adicionales. Por ejemplo, una bacteria puede adquirir la capacidad de resistir un antibiótico introducido en el medio ambiente. Lo hace creando un receptor de superficie que se une e inhibe las moléculas del antibiótico. El nuevo receptor es fundamentalmente el equivalente de una proteína "anticuerpo" que crean nuestras células inmunes para neutralizar un antígeno invasivo.
La creación de un nuevo receptor, por definición, implica que debe haber un nuevo gen creado para recordar el código de aminoácidos de esa proteína. En las bacterias, estos "nuevos" memoria los genes están presentes como pequeños círculos de ADN llamados plásmidos. Los plásmidos no están unidos físicamente al cromosoma que proporciona la herencia de la célula y flotan libremente en el citoplasma. Las bacterias son capaces de crear un promedio de aproximadamente seis una experiencia diferente plásmidos, cada uno derivado de una "experiencia" de aprendizaje única. La limitación del número de plásmidos que posee la célula no se debe a la incapacidad de producir ADN. Porque la bacteria puede hacer miles de copias de cualquiera de los plásmidos individuales que posee. Las limitaciones deben estar relacionadas con el hecho de que cada "nuevo" complejo de percepción de proteínas requiere una unidad de superficie para expresar sus funciones. La incapacidad de expandir su membrana (es decir, el área de superficie) limita la capacidad de la bacteria para adquirir nuevas percepciones (conciencia).
Cuanto mayor sea la conciencia, mayor será la capacidad de sobrevivir. Las limitaciones sobre las personas que aumentan su conciencia llevaron a que las bacterias vivieran en comunidades poco unidas. Si una bacteria individual puede "aprender" seis hechos sobre el medio ambiente, más de cien bacterias son capaces colectivamente de conocer 600 hechos. Las bacterias desarrollaron mecanismos para transferir copias de sus plásmidos a otras bacterias de la comunidad. Al transferir copias de su ADN "aprendido", comparten su "conciencia" con la comunidad. Las bacterias pueden transferir un plásmido a otro individuo. La bacteria receptora puede utilizar la "conciencia" del plásmido donado durante su vida, pero generalmente no puede transmitir copias del plásmido a su progenie de células hijas.
Las bacterias poseen finas proyecciones en forma de tentáculo que se extienden desde su superficie exterior llamadas pili. Cuando los pili de dos bacterias se tocan, las membranas del pilus pueden fusionarse momentáneamente, uniendo el citoplasma de las dos células. En el momento de la fusión, las dos bacterias pueden intercambiar copias de sus plásmidos. Las bacterias también pueden acumular ADN flotante libre en el medio ambiente, por lo que los plásmidos liberados al medio ambiente, como podría ocurrir cuando una célula muere y su citoplasma se filtra, pueden ser eliminados por otras células. Sin embargo, el entorno es duro para el ADN que flota libremente y los plásmidos se descomponen fácilmente. Un tercer medio más eficaz de distribuir plásmidos de "conciencia" surgió cuando las bacterias aprendieron a empaquetar su ADN plasmídico en capas proteicas protectoras, creando virus. Los virus contienen "información" que se libera a otras células individuales en el medio ambiente. Algunos virus matan las células que los recogen, mientras que otros protegen las células que "infectan". A veces, la "información" afirma la vida, a veces es letal.
Las comunidades bacterianas desarrollaron un medio para aumentar su supervivencia mediante el despliegue de una matriz extracelular de polisacárido para envolver todas las células de la comunidad y "protegerlas" de los estragos del medio ambiente salvaje. Las bacterias individuales pudieron moverse a través de canales "irrigados" dentro de la matriz. Los canales también permitieron una comunicación de materiales extracelulares y moléculas de información, lo que proporcionó una integración comunitaria entre todos los miembros de la comunidad. La comunidad celular puede estar poblada por una variedad de especies bacterianas. Por ejemplo, las formas anaeróbicas de bacterias que temen al oxígeno pueden vivir en el fondo de una comunidad, mientras que las bacterias aeróbicas amantes del oxígeno están presentes en los niveles superiores de la misma comunidad. Las bacterias dentro de la comunidad pueden intercambiar fácilmente su ADN y, al hacerlo, permiten que los ciudadanos celulares adquieran funciones especializadas y diferenciadas.
Estas comunidades bacterianas recubiertas de matriz se denominan biopelículas (consulte la ilustración a continuación). Las biopelículas se han vuelto muy importantes desde que ahora se reconoce que protegen a las comunidades bacterianas de los antibióticos. Las bacterias que forman las caries dentales son en realidad comunidades de biopelículas, que resisten nuestros esfuerzos por eliminarlas de nuestros dientes. La naturaleza resistiva y protectora de las biopelículas permitió que estas comunidades fueran las primeras formas de vida en abandonar el océano y vivir en la tierra.
Hace muchos años, la bióloga Lynn Margulis fundó el concepto de que las mitocondrias eran organismos similares a las bacterias que invadían el citoplasma de células que contienen núcleos más avanzadas llamadas eucariotas. Al principio, sus ideas fueron ridiculizadas por el establishment, pero a lo largo de los años se ha convertido en una creencia ampliamente aceptada. Curiosamente, la comprensión de la naturaleza comunitaria de las bacterias en las biopelículas ofrece otra interpretación.
La micrografía de la izquierda ilustra un ejemplo de una biopelícula en un pulmón humano. El grupo bacteriano infeccioso de pseudomonas está encerrado en una matriz extracelular de tinción oscura (ver flecha) que comprende una biopelícula. La encapsulación dentro de la matriz protege a las bacterias de los esfuerzos del sistema inmunológico por destruirlas. La matriz, compuesta principalmente de carbohidratos, también puede contener las proteínas musculares, actina y miosina, que se encuentran unidas a las superficies externas de algunas bacterias. Las proteínas externas de actina y miosina permiten que las bacterias se muevan dentro de la matriz de la película.
La micrografía de la derecha es la misma imagen, pero con una "membrana" dibujada alrededor de la periferia de la película. Una membrana alrededor de la película permitiría a la comunidad bacteriana controlar con precisión la composición y el carácter de su entorno, un desarrollo necesario que mejoraría su supervivencia. Esta película modificada se asemeja a la anatomía citológica de la célula eucariota evolutivamente más avanzada. En este caso, las bacterias representarían los orgánulos de la célula y la matriz de la película representaría el citoplasma rico en citoesqueleto entre los orgánulos. Curiosamente, el citoplasma de eucariotas posee muchos de los mismos componentes estructurales que caracterizan la matriz de la biopelícula. Esto es especialmente cierto en el caso de la actina y la miosina, que permiten que las bacterias se muevan en la película de la misma manera que los orgánulos se mueven en el citoplasma.
El punto de esta discusión es que la célula eucariota más avanzada, en lugar de ser una entidad única evolucionada, podría representar la evolución de una comunidad bacteriana. Una célula representaría una comunidad finamente sintonizada de procariotas que se han diferenciado en orgánulos. Tal hipótesis apoya las creencias de los biólogos pleomórficos, un grupo pequeño pero firme de científicos que creen que los microorganismos relacionados con enfermedades pueden representar formas de vida que surgieron, brotaron, de células moribundas. Tiene sentido.
Independientemente, la segunda fase de la evolución vio el origen de la célula eucariota (nucleada) más sofisticada. Sin embargo, la evolución cesó cuando la célula nucleada alcanzó su tamaño específico máximo, ya que existen limitaciones físicas impuestas a la vida celular. Si la célula intenta expandir su área de superficie más allá de un tamaño dado, la célula se volverá inestable, porque si excede ciertas dimensiones, la membrana no podrá restringir físicamente la masa de su citoplasma. Esto conducirá a la ruptura de la membrana y a la pérdida del potencial de membrana (del cual la célula extrae su energía vital). Además, si la célula excede un cierto diámetro, el proceso de difusión no permitiría que el oxígeno suficiente para que el procesamiento metabólico llegue a la parte central de la célula.
Como resultado, en la historia de la evolución, los primeros 3 mil millones de años estuvieron asociados principalmente con la aparición y evolución de organismos unicelulares (bacterias, algas, protozoos). Fue el origen de los organismos multicelulares que representaron una forma alternativa de expandir el área de la superficie de la membrana (es decir, el potencial de conciencia) más allá de las limitaciones de una sola célula. En consecuencia, en lo que equivalía a una tercera fase de la evolución, un aumento en el poder biológico de la “computadora” (conciencia) resultó de un mismo proceso de organización en comunidades de orden superior. En lugar de aumentar la conciencia de la célula eucariota individual, la tercera fase de la evolución se ocupó de ordenar los "chips" de células eucariotas individuales en ensamblajes interactivos.
Este "paso" de la evolución se asemeja a lo que ocurrió en la industria de la computación. Texas Instruments desarrolló el chip. Los chips individuales son el corazón de la calculadora simple. Sin embargo, cuando se integraron y conectaron muchos chips, proporcionaron la computadora. Cuando las computadoras individuales alcanzaron su potencia máxima, las supercomputadoras se crearon ensamblando muchas computadoras en una “comunidad” organizada de procesamiento paralelo. La relación de la bacteria con la célula eucariota es equivalente a la relación del chip con la computadora. La relación de la célula eucariota con el organismo multicelular es la misma que la relación de una computadora individual con el todo en una red de procesamiento paralelo.
En las computadoras, la "potencia" de la máquina se mide en capacidades de manejo BIT. En los organismos biológicos, el potencial de "conciencia" se refleja en el número y variedad de complejos de IMP integrados. Dado que la cantidad de IMP está directamente relacionada con el "área de superficie", la conciencia se convierte en un factor de superficies de membrana compartidas en los organismos multicelulares.
Considere la relación del área de superficie con respecto a la evolución del cerebro de los vertebrados. Los primeros cerebros de los vertebrados son esferas pequeñas y lisas. A medida que uno asciende en la escala evolutiva, los cerebros se hacen más grandes y, posteriormente, se deriva más superficie de pliegues de la superficie del cerebro que producen los surcos (surcos) y circunvoluciones (pliegues) característicos de los cerebros más avanzados. Curiosamente, cuando se considera la conciencia en términos de superficie cerebral, los humanos ocupan el segundo lugar, ya que los cerebros de marsopas y delfines tienen una superficie más grande.
Se propone que, al igual que los protozoos unicelulares, los seres humanos representan otro punto final evolutivo, el nivel más alto de desarrollo para una estructura biológica multicelular. En una serie de eventos redundantes a los que ocurrieron en los dos ciclos anteriores de evolución, la evolución humana continuó a través de un proceso de ensamblaje e integración de individuos en una comunidad multicelular. En esta comunidad conocida como humanidad, el papel de cada persona es análogo al de una sola célula en la construcción humana. En la visión global de la Tierra como un organismo vivo (Gaia), los humanos son los equivalentes IMP en la membrana de la superficie de la Tierra. Los humanos, como receptores y efectores, se ensamblan e integran en redes con patrones (comunidad) en la envoltura de la Tierra donde reciben "señales" ambientales y sirven como mecanismos de conmutación de las puertas de la membrana del planeta.
Estos estudios revelan que la evolución pasada y futura puede modelarse matemáticamente en la estructura y elaboración de la membrana celular. La mejor manera de organizar el área de superficie de la membrana bidimensional en un espacio celular tridimensional es emplear geometría fractal.
En la naturaleza, la mayoría de las estructuras orgánicas e inorgánicas expresan un patrón "irregular". Sin embargo, dentro del aparente caos de las irregularidades, uno encuentra que las estructuras irregulares se repiten “regularmente” (es decir, muestran una forma de orden). Por ejemplo, el patrón de ramificación en la ramita de un árbol es a menudo el mismo patrón de ramificación que se observa en el tronco del árbol. El patrón de ramificación de un río importante es idéntico al patrón de ramificación observado a lo largo de sus afluentes más pequeños. El patrón de las ramas a lo largo del bronquio es una reiteración del patrón de las ramas de las vías respiratorias a lo largo de los bronquiolos más pequeños. Imágenes similares de patrones de ramificación reiterados en el cuerpo se revelan en los vasos sanguíneos arteriales y venosos y en el sistema nervioso periférico.
El matemático francés Benoit Mandelbrot fue el primero en reconocer que la geometría de muchos de los objetos de la naturaleza revelaba un patrón similar independientemente de la escala en la que se examinó. Cuanto más se amplía la imagen, más se parece la estructura. Mandelbrot introdujo el término "auto-similar" para describir tales objetos. “En 1975, Mandelbrot acuñó la palabra fractal como una etiqueta conveniente para formas autosimilares irregulares y fragmentadas.
La matemática de los fractales es asombrosamente simple en el sentido de que consiste en repetir "operaciones" de sumas y multiplicaciones. En el proceso, el resultado de una operación se utiliza como entrada para la operación posterior; el resultado de esa operación se utiliza como entrada para la siguiente operación, y así sucesivamente. Matemáticamente, todas las "operaciones" usan exactamente la misma fórmula, sin embargo, deben repetirse millones de veces para obtener la solución. El trabajo manual y el tiempo necesarios para completar una ecuación fractal impidieron que los matemáticos reconocieran el "poder" de la geometría fractal hasta que el advenimiento de las poderosas computadoras permitió a Benoit Mandelbrot definir esta nueva matemática.
En la geometría clásica, los puntos, líneas, áreas de superficie y estructuras cúbicas representan dimensiones expresadas en enteros enteros, 0, 1, 2 y 3 dimensiones, respectivamente. La geometría fractal se emplea para modelar imágenes que son más "interdimensionales". Por ejemplo, una línea curva es un objeto unidimensional. En los fractales, la curva puede zigzaguear tanto que en realidad se acerca a llenar el plano. Si la curva de la línea es relativamente simple, se acerca a una dimensión de 1. Si las curvas de la línea están tan compactas que llenan el espacio, la línea se aproxima a las 1 dimensiones. La geometría fractal rellena los espacios entre las dimensiones de números enteros.
Una característica estructural de los fractales es relativamente simple de entender: los fractales exhiben un patrón reiterado de "estructuras" anidadas unas dentro de otras. Cada estructura más pequeña es una miniatura, pero no necesariamente una versión exacta de la forma más grande. La matemática fractal enfatiza la relación entre los patrones vistos en el todo y los patrones vistos en partes de ese todo. Por ejemplo, el patrón de ramitas en una rama se asemeja al patrón de ramas que se ramifican fuera del tronco. Los objetos fractales pueden ser representados por una "caja" dentro de una "caja", dentro de una "caja", dentro de una "caja", etc. Si uno conoce los parámetros de la primera "caja", entonces se le proporciona automáticamente la información básica. patrón que caracteriza a todas las demás "cajas" (más grandes o más pequeñas).
Como se describe en el artículo de Mathematics of Human Life de W. Allman (citado en la sección de referencia), “Los estudios matemáticos de fractales revelan que la estructura ramificada dentro de ramificación de un fractal representa la mejor manera de obtener la mayor superficie dentro de una -espacio dimensional… ” Si bien la membrana celular es en realidad un objeto tridimensional, su bicapa molecular posee un espesor constante y uniforme. Como tal, el grosor de la membrana puede ignorarse y la membrana puede modelarse como una estructura de "área superficial" bidimensional. Dado que la evolución es el modelado de la conciencia de la membrana (relacionada con su área de superficie), la eficiencia del modelado proporcionado por la geometría fractal probablemente reflejaría la elegida por la naturaleza.
El punto es no quedar atrapado en las matemáticas del modelado. ¡El punto es que el modelo fractal predice que la evolución se basará en un patrón reiterado de "estructuras" anidadas unas dentro de otras! Más específicamente, en lo que se refiere a un concepto de Evolución Fractal, "el patrón del todo se ve en las partes del todo", esto significa que el patrón del humano se ve en las partes (células) del humano. Si uno es consciente del patrón mediante el cual una célula está organizada funcionalmente, también se le proporciona una idea de la organización de un ser humano. Considere esto: las imágenes fractales de estructuras más pequeñas son miniaturas del todo más grande. Por lo tanto, mientras que la estructura de los humanos es una imagen auto-similar de sus propias células, la estructura de la civilización humana representaría una estructura auto-similar de los humanos que la componen.
Los seres humanos son una imagen fractal de la sociedad, las células son una imagen fractal del ser humano. De hecho, las células también son una imagen fractal de la sociedad. La naturaleza fractal de la evolución está implícita aún más en los patrones repetidos e idénticos observados en cada uno de los tres ciclos de evolución.