Evolutsioon BIT -ide ja tükkide kaupa: sissejuhatus fraktaalsele evolutsioonile
Iga bioloogilist rakku ümbritsev membraanipiir sisaldab bioloogilise protsessorsüsteemi struktuurilist alust (vt artikkel: Rakuline teadvus). Protsessorina skaneerivad raku membraaniretseptorid keskkonda signaalide suhtes. Ilmselgelt on keskkond signaalidest tulvil. Kui kõik signaalid oleksid kuuldavad, kõlaks keskkond müristava mürana. Kuid iga retseptori IMP -le omane vastuvõtu eripära võimaldab tal eristada oma täiendavat signaali kõigist segamini aetud ümbritsevast mürast. Rakkude võime selektiivselt filtreerida kasulikku teavet "kaootilisest" mürast välja sarnaneb Fourier 'teisenduste funktsiooniga [matemaatilised filtreerimisprotsessid, mis leiavad signaale müra paistes] keerulistel sisenditel, et tajuda konkreetseid sagedusi informatiivsete signaalidena. Kuigi keskkond on teatud mõttes "kaootiline", sadu ja tuhandeid samaaegselt väljendatud "signaale", suudab rakk valikuliselt lugeda ainult neid signaale, mis on selle olemasolu jaoks olulised.
Rakumembraani funktsionaalsete ja struktuursete tunnuste põhjal kujutab iga üksik rakk (nt amööb) a isetoitev mikroarvutisüsteem. Nagu digitaalarvutite puhul, määrab ka mobiilsidearvuti võimsuse või teabe käitlemise võimsus selle haldatavate BIT -de arv. Arvutites on BIT -d värava/kanalikompleksid, membraaniprotsessoris on BIT -d esindatud retseptori/efektorkompleksidega. Raku BIT -sid sisaldavatel IMP molekulidel on määratletud füüsikalised parameetrid ja seetõttu saab neid mõõta.
IMP valkude mõõtmed on ligikaudu samad kui membraani paksus. Kuna IMP -d asuvad definitsiooni järgi membraani kahekihilises osas, saab valke paigutada ainult ühekihiliseks (see tähendab, et IMP -sid ei saa üksteise peale laduda). Leiva ja või ning oliivvõileiva metafoori kasutamiseks on ainult nii palju oliive, mida saab leiva peale kihiliselt laduda. Et võileivas oleks rohkem oliive, on vaja kasutada suuremat leivaviilu. Sama kehtib ka taju-IMP ühikute arvu suurendamise kohta membraanis: mida rohkem IMP-sid, seda rohkem on nende hoidmiseks vaja membraani pindala. Raku infotöötlusvõime (kajastub tajumisvalkude arvus) on otseselt seotud membraani pindalaga.
Selle diskursuse sügav mõte… Bioloogiline teadlikkus on mõõdetav omadus ja on otseselt korreleerunud koos rakumembraani pinnaga. Järelikult määravad raku arvutusvõimsuse füüsiliselt raku mõõtmetele kehtestatud piirangud.
. evolutsiooni esimene etapp elu puudutas individuaalse bioloogilise arvuti "kiibi" - primitiivse bakteri - väljatöötamist ja täiustamist. Nende primitiivsete organismide suurust piirab asjaolu, et neil on jäik välimine luustik, mis on saadud glükokalüksi polüsahhariididest. Maatriks, mis saadakse selle „karvkatte” suhkrumolekulide ristsidumisel, tagab raku kaitsva „luustiku”, mida nimetatakse kapsliks. Kapsel toetab ja kaitseb füüsiliselt raku õhukest membraani rebenemise eest osmootse rõhu all.
Osmootne rõhk on jõud, mis tekib vee soovist liikuda läbi membraani, et “tasakaalustada” osakeste kontsentratsiooni membraanitõkke mõlemal küljel. Raku tsütoplasma on täis osakesi võrreldes veega, milles rakud elavad. Vesi väliskeskkonnast läbib membraani, et lahjendada tsütoplasmaatiliste osakeste kontsentratsiooni. Rakk paisub veega ja rõhk põhjustab õrna membraani kahekihilise purunemise, mis tapab raku. Glükokalüksi eksoskelett peab vastu eluohtlikule osmootsele rõhule.
Bakterid on selgrootute rakkude ekvivalent (loomad, kellel puudub sisemine toetav luustik (nt karbid, putukad, tarretis). Kuigi luustik kaitseb bakterit, piirab seda ka selle jäik olemus. Bakterirakkude suurust piirab selle välimine osa kapsel. Suurusepiirang piirab membraani hulka, mida rakk võib omada. Membraani pindala on proportsionaalne teadlikkusega, lähtudes selles sisalduvate IMP -de arvust. Bakterikapsel piirab raku arengut, kuna ühikute arv on piiratud taju, mida membraan võib sisaldada.
Tegelikult kasutatakse enamikku bakteri membraanipinnast rakkude ellujäämiseks vajalike IMP -komplekside majutamiseks. Kuid iga bakter on võimeline õppima ka kuut täiendavat keskkonnaalast "signaali". Näiteks võib bakter omandada võime seista vastu keskkonda viidud antibiootikumile. Ta teeb seda, luues pinnaretseptori, mis seob ja pärsib antibiootikumi molekule. Uus retseptor on põhimõtteliselt samaväärne valgu "antikehaga", mille meie immuunrakud loovad invasiivse antigeeni neutraliseerimiseks.
Uue retseptori loomine tähendab definitsiooni kohaselt, et selle valgu aminohapete koodi meeldejätmiseks peab olema loodud uus geen. Bakterites on need "uued" mälu geenid esinevad väikeste DNA ringidena, mida nimetatakse plasmiidideks. Plasmiidid ei ole füüsiliselt seotud raku pärilikkust tagava kromosoomiga ja hõljuvad tsütoplasmas vabalt. Bakterid on võimelised looma keskmiselt umbes kuus erinev plasmiidid, millest igaüks pärineb ainulaadsest õpikogemusest. Rakul olevate plasmiidide arvu piirang ei ole tingitud võimetusest DNA -d valmistada. Sest bakter võib teha tuhandeid koopiaid mis tahes selle valduses olevatest plasmiididest. Piirangud peavad olema seotud asjaoluga, et iga "uue" valgu tajumiskompleksi jaoks on vaja oma funktsioonide väljendamiseks pinnaühikut. Suutmatus oma membraani (st pindala) laiendada piirab bakteri võimet uusi taju omandada (teadlikkus).
Mida rohkem teadlikkust, seda suurem on ellujäämisvõime. Üksikisikute teadlikkuse suurendamise piirangud viisid selleni, et bakterid elasid lõdvalt ühendatud kogukondades. Kui üksik bakter suudab keskkonna kohta kuut fakti teada saada, on sada bakterit võimelised olema teadlikud 600 faktist. Bakterid töötasid välja mehhanismid oma plasmiidide koopiate edastamiseks teistele kogukonna bakteritele. Edastades oma „õpitud” DNA koopiaid, jagavad nad oma „teadlikkust” kogukonnaga. Bakterid võivad plasmiidi teisele indiviidile üle kanda. Vastuvõttev bakter võib annetatud plasmiidi "teadlikkust" oma elu jooksul kasutada, kuid üldiselt ei saa ta plasmiidi koopiaid oma tütarrakkude järglastele edasi anda.
Bakteritel on peened kombitsataolised väljaulatuvad osad, mis ulatuvad nende välispinnast, mida nimetatakse piliks. Kui kahe bakteri pili puutuvad kokku, võivad piluse membraanid hetkega sulanduda, ühendades kahe raku tsütoplasma. Sulamishetkel saavad need kaks bakterit vahetada oma plasmiidide koopiaid. Bakterid suudavad ka keskkonnas vabalt hõljuvat DNA-d kokku siduda, nii et teised rakud võivad puhastada keskkonda eraldunud plasmiide, mis võivad tekkida siis, kui rakk sureb ja selle tsütoplasma lekib. Keskkond on aga vabalt hõljuva DNA suhtes karm ja plasmiidid lagunevad kergesti. Kolmas, tõhusam viis teadlikkuse suurendamise plasmiidide levitamiseks tekkis siis, kui bakterid õppisid oma plasmiidse DNA pakkima kaitsvatesse valgukestadesse, luues viirusi. Viirused sisaldavad teavet, mis väljastatakse teistele keskkonna üksikutele rakkudele. Mõned viirused tapavad rakud, mis neid korjavad, samas kui teised viirused kaitsevad rakke, mida nad nakatavad. Mõnikord on „teave” elu kinnitav, mõnikord surmav.
Bakterikogukonnad on välja töötanud vahendid nende ellujäämise suurendamiseks, rakendades polüsahhariidide rakuvälist maatriksit, et ümbritseda kõik kogukonna rakud ja "kaitsta" neid looduskeskkonna laastamise eest. Üksikud bakterid suutsid maatriksis liikuda läbi niisutatud kanalite. Kanalid võimaldasid ka rakuväliste materjalide ja teabemolekulide suhtlemist, mis pakkus kogukonna kõigi liikmete vahel ühist integratsiooni. Rakulist kogukonda võib asustada mitmesuguseid bakteriliike. Näiteks võivad hapnikukartlikud anaeroobsed bakterivormid elada kogukonna põhjas, samas kui hapnikku armastavad aeroobsed bakterid esinevad sama kogukonna ülemistel tasanditel. Kogukonna bakterid on võimelised vahetama oma DNA -d ja võimaldavad sel viisil rakulistel kodanikel omandada spetsialiseeritud, diferentseeritud funktsioone.
Neid maatriksiga ümbritsetud bakterikooslusi nimetatakse biofilmideks (vt joonist allpool). Biokiled on muutunud väga oluliseks, kuna need on nüüdseks tunnistatud kaitsma bakterite kogukondi antibiootikumide eest. Hambaõõnesid moodustavad bakterid on tegelikult biokilekogukonnad, mis takistavad meie jõupingutusi nende hammaste puhastamiseks. Biokilede takistuslik ja kaitsev olemus võimaldas neil kogukondadel olla esimesed eluvormid, mis lahkusid ookeanist ja elasid maismaal.
Aastaid tagasi pani bioloog Lynn Margulis aluse kontseptsioonile, et mitokondrid on bakteritaolised organismid, mis tungisid eukarüootide, arenenumate tuuma sisaldavate rakkude tsütoplasmasse. Esialgu naeruvääristas ta oma ideid, kuid aastate jooksul on sellest saanud laialt levinud veendumus. Huvitav on see, et biokilede bakterite kogukondliku olemuse mõistmine pakub teist tõlgendust.
Vasakpoolne mikrograafik illustreerib inimese kopsu biokile näidet. Nakkuslik pseudomonas bakterikimp on ümbritsetud biokile sisaldava tumeda värvimisega rakuvälise maatriksiga (vt nool). Maatriksis olev kapseldamine kaitseb baktereid immuunsüsteemi jõupingutuste eest neid hävitada. Peamiselt süsivesikutest koosnev maatriks võib sisaldada ka lihasvalke, aktiini ja müosiini, mis on seotud mõne bakteri välispinnaga. Välised aktiin ja müosiinvalgud võimaldavad bakteritel kile maatriksis liikuda.
Paremal olev mikrograaf on sama pilt, kuid filmi perifeeriale on tõmmatud „membraan“. Kile ümber olev membraan võimaldaks bakterite kogukonnal oma keskkonna koostist ja iseloomu peenelt kontrollida, mis on vajalik areng, mis parandaks nende ellujäämist. See muudetud kile meenutab evolutsiooniliselt arenenuma eukarüootse raku tsütoloogilist anatoomiat. Sel juhul esindavad bakterid raku organelle ja kile maatriks sümboliseerib tselloplasma organellide vahel. Huvitav on see, et eukarüootide tsütoplasmas on palju samu struktuurikomponente, mis iseloomustavad biokile maatriksit. See kehtib eriti aktiini ja müosiini kohta, mis võimaldavad bakteritel filmis liikuda samamoodi nagu organellid tsütoplasmas.
Selle arutelu mõte on selles, et arenenum eukarüootne rakk, mitte arenenud üksus, võib kujutada bakterite kogukonna arengut. Rakk esindaks peenelt häälestatud prokarüootide kogukonda, mis on diferentseerunud organellideks. Selline hüpotees toetab pleomorfsete bioloogide-väikese, kuid kindla teadlaste rühma-uskumusi, kes usuvad, et haigustega seotud mikroorganismid võivad kujutada endast eluvorme, mis tekkisid surevate rakkude tõttu. Kõlab loogiliselt.
Sellest hoolimata nägi evolutsiooni teises etapis välja keerukam eukarüootne (tuumaline) rakk. Kuid evolutsioon lakkas, kui tuumaga rakk saavutas oma maksimaalse spetsiifilise suuruse, sest raku elule on kehtestatud füüsilised piirangud. Kui rakk üritab oma pindala laiendada üle teatud suuruse, muutub rakk ebastabiilseks, sest kui see ületab teatud mõõtmed, ei suuda membraan füüsiliselt oma tsütoplasma massi piirata. See toob kaasa membraani purunemise ja membraanipotentsiaali kadumise (millest rakk ammutab oma eluandva energia). Samuti, kui rakk ületab teatud läbimõõdu, ei võimalda difusiooniprotsess metaboolseks töötlemiseks piisavalt hapnikku jõuda raku keskosani.
Selle tulemusena seostati evolutsiooni ajaloos esimesed 3 miljardit aastat peamiselt üherakuliste organismide (bakterid, vetikad, algloomad) välimuse ja evolutsiooniga. Mitmerakuliste organismide päritolu kujutas endast alternatiivset võimalust membraani pindala (st teadlikkuse potentsiaali) laiendamiseks väljaspool ühe raku piiranguid. Järelikult, mis moodustas evolutsiooni kolmanda faasi, tulenes bioloogilise „arvuti” võimsuse (teadlikkuse) suurenemine samast protsessist kõrgema järgu kogukondadeks. Üksikute eukarüootsete rakkude teadlikkuse suurendamise asemel tegeles evolutsiooni kolmas faas üksikute eukarüootsete rakkude „kiipide” järjestamisega interaktiivsetesse sõlmedesse.
See evolutsiooni "järkjärguline läbiviimine" sarnaneb arvutitööstuses toimunuga. Texas Instruments töötas välja kiibi. Üksikud kiibid on lihtsa kalkulaatori süda. Kui aga paljud kiibid olid integreeritud ja juhtmega ühendatud, pakkusid need arvutit. Kui üksikud arvutid saavutasid oma maksimaalse võimsuse, loodi superarvutid, koondades paljud arvutid organiseeritud paralleelse töötlemise "kogukonda". Bakteri seos eukarüootsete rakkudega võrdub kiibi suhtega arvutiga. Eukarüootsete rakkude seos mitmerakulise organismiga on sama mis üksiku arvuti suhe tervikuga paralleelselt töötlevas võrgus.
Arvutites mõõdetakse masina "võimsust" BIT -i käsitsemisvõimsustes. Bioloogilistes organismides peegeldub „teadlikkuse” potentsiaal integreeritud IMP -komplekside arvus ja mitmekesisuses. Kuna IMP -de kogus on otseselt seotud „pindalaga“, muutub teadlikkus mitmerakuliste organismide jagatud membraanipindade teguriks.
Mõelge pinna pindalale seoses selgroogsete aju arenguga. Esimesed selgroogsete ajud on väikesed siledad kerad. Kui evolutsiooniredelil ülespoole minnakse, muutuvad ajud suuremaks ja seejärel saadakse rohkem pindala aju pinna voltimistest, mis tekitavad arenenumate ajude iseloomulikke sulci (sooned) ja gyri (voldid). Huvitav on see, et kui arvestada teadlikkust ajupinna osas, on inimesed teisel kohal, kuna pringli ja delfiini ajud on suurema pindalaga.
Tehakse ettepanek, et sarnaselt üherakulistele algloomadele esindavad inimesed teist evolutsioonilist lõpp -punkti, mitmerakulise bioloogilise struktuuri kõrgeimat arengutaset. Kahes eelnevas evolutsioonitsüklis toimunud sündmuste seerias jätkus inimese evolutsioon läbi üksikisikute kogunemise ja integreerimise mitme rakulise kogukonnaga. Selles inimkonnana tuntud kogukonnas on iga inimese roll analoogne inimese konstruktsiooni ühe raku omaga. Maailma kui elusorganismi (Gaia) globaalses vaates on inimesed Maa pinnamembraanis IMP ekvivalendid. Inimesed retseptorite ja efektoritena kogunevad ja integreeruvad Maa ümbrikus olevasse mustrivõrku (kogukonda), kus nad võtavad vastu keskkonnaalaseid signaale ja toimivad planeedi membraaniväravate lülitusmehhanismidena.
Need uuringud näitavad, et mineviku ja tuleviku arengut saab rakumembraani struktuuri ja väljatöötamise käigus matemaatiliselt modelleerida. Parim viis kahemõõtmelise membraanipinna korraldamiseks kolmemõõtmeliseks rakuruumiks on fraktaalgeomeetria kasutamine.
Looduses väljendab enamik anorgaanilisi ja orgaanilisi struktuure „ebaregulaarset” mustrit. Eeskirjade eiramise näilise kaose raames võib aga leida, et ebakorrapäraseid struktuure korratakse „regulaarselt” (st nad näitavad järjekorda). Näiteks puu oksas on hargnemismuster sageli sama hargnemismuster, mida täheldatakse puu tüvel. Suure jõe hargnemismuster on identne selle väiksemate lisajõgede hargnemismustriga. Oksade muster mööda bronhi on hingamisteede harude mustri kordamine mööda väikseimaid bronhioole. Sarnased kujutised korduvatest hargnemismustritest kehas ilmnevad arteriaalsetes ja venoossetes veresoontes ning perifeerses närvisüsteemis.
Prantsuse matemaatik Benoit Mandelbrot tunnistas esimesena, et paljude looduse objektide geomeetria näitas sarnast mustrit, sõltumata selle skaalast. Mida rohkem pilti suurendate, seda enam tundub struktuur sama. Mandelbrot võttis selliste objektide kirjeldamiseks kasutusele mõiste “isesarnane”. „1975. aastal võttis Mandelbrot sõna fraktal kasutusele mugava sildina ebakorrapäraste ja killustatud isesarnaste kujundite jaoks.
Fraktaalide matemaatika on hämmastavalt lihtne, kuna see koosneb liitmiste ja korrutiste „toimingute” kordamisest. Protsessis kasutatakse ühe toimingu tulemust järgneva toimingu sisendina; selle toimingu tulemust kasutatakse seejärel järgmise toimingu sisendina jne. Matemaatiliselt kasutavad kõik “toimingud” täpselt sama valemit, kuid lahenduse saamiseks tuleb neid korrata miljoneid kordi. Fraktaalvõrrandi lõpuleviimiseks vajalik füüsiline töö ja aeg takistasid matemaatikutel Fraktaali geomeetria „võimu” ära tunda, kuni võimsate arvutite tulek võimaldas Benoit Mandelbrotil selle uue matemaatika määratleda.
Klassikalises geomeetrias tähistavad punktid, jooned, pindalad ja kuupstruktuurid mõõtmeid, mis on väljendatud vastavalt täisarvudena, vastavalt 0-, 1-, 2- ja 3-mõõtmetena. Fraktaalgeomeetriat kasutatakse „interdimensionaalsemate” piltide modelleerimiseks. Näiteks kõverjoon on ühemõõtmeline objekt. Fraktaalides võib kõver siksakiliselt niipalju, et jõuab tasapinna täitumiseni. Kui joone kõver on suhteliselt lihtne, on see mõõtme 1 lähedal. Kui joone kõverad on nii tihedalt kokku pakitud, et täidavad ruumi, läheneb joon 1-mõõtmelisele. Fraktaalgeomeetria täidab tühikud täisarvudimensioonide vahel.
Fraktaalide struktuurseid omadusi on suhteliselt lihtne mõista: fraktaalidel on korduvalt üksteise sisse paigutatud struktuuride muster. Iga väiksem struktuur on miniatuurne, kuid mitte tingimata suurema vormi täpne versioon. Fraktaalmatemaatika rõhutab tervikus nähtud mustrite ja selle terviku osades nähtud mustrite vahelist suhet. Näiteks okste muster oksal meenutab tüvest hargnevate jäsemete mustrit. Fraktaalseid objekte saab tähistada kastiga „kast”, „kasti”, „kastiga” jne. Kui te teate esimese „kasti” parameetreid, antakse sellele automaatselt põhiline muster, mis iseloomustab kõiki teisi (suuremaid või väiksemaid) "kaste".
Nagu on kirjeldatud W. Allmani artiklis Mathematics of Human Life (viidatud viitejaotises), „Fraktaalide matemaatilised uuringud näitavad, et fraktaali hargneva hargnemisega struktuur kujutab endast parimat viisi kolme pinna piires kõige suurema pindala saamiseks. -mõõtmeline ruum ... " Kuigi rakumembraan on tegelikult kolmemõõtmeline objekt, on selle molekulaarsel kahekihil konstantne ja ühtlane paksus. Sellisena võib membraani paksust ignoreerida ja membraani saab modelleerida kahemõõtmelise pindalastruktuurina. Kuna evolutsioon on membraani teadlikkuse modelleerimine (seotud selle pindalaga), peegeldaks fraktaalse geomeetriaga modelleerimise tõhusus tõenäoliselt Looduse valitud.
Asi pole selles, et jääksite modelleerimise matemaatikasse kinni. Asi on selles, et fraktaalmudel ennustab, et evolutsioon põhineb korduvalt üksteise sisse paigutatud struktuuride mustril! Täpsemalt, kuna see puudutab fraktaalse evolutsiooni kontseptsiooni, „terviku mustrit nähakse terviku osades”, tähendab see, et inimese mustrit nähakse inimese osades (rakkudes). Kui keegi on teadlik raku funktsionaalselt korraldatud mustrist, antakse talle ülevaade ka inimese organisatsioonist. Mõelge sellele: väiksemate struktuuride fraktaalkujutised on suurema terviku miniatuurid. Seega, kuigi inimeste struktuur on iseenesest sarnane pilt nende endi rakkudest, kujutab inimtsivilisatsiooni ülesehitus endast koosnevat inimeste struktuuri!
Inimene on fraktaalne kuvand ühiskonnast, rakud on fraktaalkujutis inimesest. Tegelikult on rakud ka fraktaalne kuvand ühiskonnast. Evolutsiooni fraktaalne olemus tuleneb ka korduvatest, samasugustest mustritest, mida täheldati kõigis kolmes evolutsioonitsüklis.