Evolucija pomoću BIT-ova i dijelova: Uvod u fraktalnu evoluciju
Granica membrane koja obavija svaku biološku stanicu sastoji se od strukturne osnove biološkog procesorskog sustava (vidi članak: Stanična svijest). Kao procesor, membranski receptori stanice skeniraju okolinu u potrazi za signalima. Očito je da je okruženje preplavljeno signalima. Kad bi se svi signali čuli, okolina bi zvučala poput treštave buke. Međutim, specifičnost prijema koja je karakteristična za svaki receptor IMP, omogućuje mu da razlikuje svoj komplementarni signal od sve izmiješane ambijentalne buke. Sposobnost stanice da selektivno filtrira korisne informacije iz "kaotičnog" šuma podsjeća na funkciju Fourierovih transformacija [procesi matematičkog filtriranja koji pronalaze signale unutar onoga što se čini kao šum] na složenim ulazima kako bi određene frekvencije percipirale kao informacijske signale. Iako je okolina u određenom smislu "kaotična", sa stotinama i tisućama simultano izraženih "signala", stanica može selektivno čitati samo one signale koji su relevantni za njezino postojanje.
Na temelju funkcionalnih i strukturnih značajki stanične membrane, svaka pojedinačna stanica (npr. Ameba) predstavlja mikroračunalni sustav s vlastitim napajanjem. Kao i kod digitalnih računala, snaga ili kapacitet za rukovanje informacijama "staničnog" računala određuje se brojem njegovih BIT-ova kojima može upravljati. U računalima su BIT kompleksi vrata / kanala, u membranskom procesoru BIT su predstavljeni receptorsko-efektorskim kompleksima. Molekule IMP koje sadrže BIT stanice imaju definirane fizikalne parametre i stoga se mogu "mjeriti".
Dimenzija IMP proteina približno je jednaka debljini membrane. Budući da se IMP-ovi, po definiciji, nalaze unutar dvosloja membrane, proteini se mogu složiti samo kao jednoslojni slojevi (što znači da IMP-ovi ne mogu biti naslagani jedan na drugi). Da upotrijebimo metaforu o sendviču s kruhom i maslacem i maslinama, na kruhu se može složiti samo toliko maslina. Da biste imali više maslina u sendviču, potrebna je veća kriška kruha. Isto se odnosi i na povećanje broja percepcijsko-IMP jedinica u membrani: što je više IMP-a - to je veća površina membrane potrebna da ih zadrže. Sposobnost stanice za obradu informacija (koja se ogleda u broju percepcijskih proteina) izravno je povezana s površinom membrane.
Duboka poanta ovog diskursa ... Biološka svijest je mjerljivo svojstvo, i jest izravno korelira s površinom stanične membrane. Slijedom toga, računalna snaga stanice fizički je određena ograničenjima nametnutim staničnim dimenzijama.
Korištenje električnih romobila ističe prva faza evolucije života odnosio se na razvoj i usavršavanje pojedinačnog biološkog računalnog "čipa", primitivne bakterije. Veličina ovih primitivnih organizama ograničena je činjenicom da posjeduju krut vanjski kostur, izveden iz polisaharida glikokaliksa. Matrica proizvedena umrežavanjem molekula šećera u ovom "kaputu" osigurava stanični zaštitni "kostur", nazvan kapsulom. Kapsula fizički podupire i štiti tanku membranu stanice od pucanja pod naponom osmotskog tlaka.
Osmotski pritisak je sila generirana željom vode da se kreće kroz membranu kako bi "uravnotežila" koncentraciju čestica sa svake strane membranske barijere. Citoplazma stanice napunjena je česticama u usporedbi s vodom u kojoj stanice žive. Voda iz vanjskog okoliša prolazit će kroz membranu kako bi razrijedila koncentraciju citoplazmatskih čestica. Stanica bi se napuhala vodom, a pritisak bi uzrokovao pucanje nježnog membranskog dvosloja, što bi ubilo stanicu. Egzoskelet glikokaliksa odolijeva osmotskom tlaku opasnom po život.
Bakterije su stanični ekvivalent beskralješnjaka, (životinje koje nemaju unutarnji potporni kostur (npr. Školjke, insekti, žele). Iako kostur štiti bakteriju, njezina je kruta priroda također ograničava. Veličina bakterijskih stanica ograničena je njezinim vanjskim kapsula. Ograničenje veličine ograničava količinu membrane koju stanica može posjedovati. Površina membrane proporcionalna je svijesti, na temelju broja IMP-a koje može sadržavati. Bakterijska kapsula ograničava razvoj stanice, jer postoji ograničenje broja jedinica percepcije membrana može sadržavati.
Zapravo se većina površine bakterijske membrane koristi za smještaj potrebnih IMP kompleksa potrebnih za preživljavanje stanica. Međutim, svaka je bakterija također sposobna naučiti oko šest dodatnih "okolišnih signala". Na primjer, bakterija može steći sposobnost odoljevanja od antibiotika unesenog u okoliš. To čini stvaranjem površinskog receptora koji veže i inhibira molekule antibiotika. Novi receptor u osnovi je ekvivalent proteinskom "antitijelu" koje naše imunološke stanice stvaraju kako bi neutralizirale invazivni antigen.
Stvaranje novog receptora, prema definiciji, podrazumijeva da mora postojati novi gen stvoren za pamćenje aminokiselinskog koda za taj protein. U bakterijama, ti "novi" memorija geni su prisutni u obliku malenih krugova DNA koji se nazivaju plazmidi. Plazmidi nisu fizički vezani za kromosom koji osigurava nasljedstvo i slobodno plutaju u citoplazmi. Bakterije su sposobne stvoriti u prosjeku oko šest drukčiji plazmidi, svaki izveden iz jedinstvenog "iskustva". Ograničenje broja plazmida koje stanica posjeduje nije zbog nemogućnosti stvaranja DNA. Jer bakterija može napraviti tisuće kopija bilo kojeg pojedinačnog plazmida koji posjeduje. Ograničenja se moraju odnositi na činjenicu da svaki "novi" kompleks percepcije proteina zahtijeva jedinicu površine za izražavanje svojih funkcija. Nemogućnost širenja membrane (tj. Površine) ograničava sposobnost bakterije da stekne novu percepciju (svjesnost).
Što je više svjesnosti to je veća sposobnost preživljavanja. Ograničenja na povećavanje svijesti pojedinaca dovela su do toga da bakterije žive u slabo povezanim zajednicama. Ako pojedinačna bakterija može "naučiti" šest činjenica o okolišu, tada je stotinu bakterija zajedno sposobno znati 600 činjenica. Bakterije su razvile mehanizme za prijenos kopija svojih plazmida na druge bakterije u zajednici. Prijenosom kopija svoje „naučene“ DNA, oni dijele svoju „svijest“ sa zajednicom. Bakterije mogu prenijeti plazmid na drugu jedinku. Primatelj bakterija može koristiti “svijest” darovanog plazmida tijekom svog života, ali općenito ne može proslijediti kopije plazmida potomstvu svoje kćeri.
Bakterije posjeduju fine izbočine poput pipaka koje se protežu od njihove vanjske površine zvane pili. Kad se pilići dviju bakterija dodirnu, membrane pilusa mogu se na trenutak stopiti, spajajući citoplazmu dviju stanica. U trenutku fuzije, dvije bakterije mogu razmijeniti kopije svojih plazmida. Bakterije su također u stanju ukloniti slobodno plutajuću DNK u okolišu, tako da plazmidi pušteni u okoliš, što se može dogoditi kad stanica umre i kada joj citoplazma istječe, mogu biti uklonjene od strane drugih stanica. Međutim, okoliš je težak za slobodno plutajuću DNA i plazmidi se lako razgrađuju. Treće, učinkovitije sredstvo za distribuciju plazmida "svjesnosti" nastalo je kad su bakterije naučile pakirati svoju plazmidnu DNA u zaštitne proteinske ljuske, stvarajući viruse. Virusi sadrže "informacije" koje se puštaju u druge pojedinačne stanice u okolišu. Neki virusi ubijaju stanice koje ih pokupe, dok drugi virusi štite stanice koje "zaraze". Ponekad "informacija" potvrđuje život, ponekad je smrtonosna.
Zajednice bakterija razvile su način da povećaju svoj opstanak postavljanjem izvanstaničnog matriksa polisaharida koji će omotati sve stanice u zajednici i "zaštititi" ih od pustoši divljeg okoliša. Pojedine su se bakterije mogle kretati kroz "navodnjavane" kanale unutar matrice. Kanali su također omogućili komunikaciju izvanstaničnih materijala i molekula informacija, što je omogućilo komunalnu integraciju među svim članovima zajednice. Stanična zajednica može biti naseljena raznim bakterijskim vrstama. Na primjer, anaerobni oblici bakterija koji se boje kisika mogu živjeti na dnu zajednice, dok su aerobne bakterije koje vole kisik prisutne u gornjim razinama iste zajednice. Bakterije unutar zajednice lako mogu razmijeniti svoju DNK i na taj način omogućavaju staničnim građanima stjecanje specijaliziranih, diferenciranih funkcija.
Te bakterijske zajednice obložene matricom nazivaju se biofilmovi (vidi ilustraciju dolje). Biofilmi su postali vrlo važni otkako su danas prepoznati kako bi zaštitili bakterijske zajednice od antibiotika. Bakterije koje tvore zubne šupljine zapravo su zajednice biofilma, koje se opiru našim naporima da ih izbrusimo iz zuba. Otporna i zaštitna priroda biofilmova omogućila je tim zajednicama da budu prvi oblici života koji su napustili ocean i živjeli na kopnu.
Prije mnogo godina biolog Lynn Margulis utemeljio je koncept da su mitohondriji bakterijski slični organizmi koji su napali citoplazmu naprednijih stanica koje sadrže jezgru, a koje se nazivaju eukarioti. Isprva je establišment ismijavao njezine ideje, no s godinama je to postalo općeprihvaćeno uvjerenje. Zanimljivo je da razumijevanje komunalne prirode bakterija u biofilmovima nudi još jedno tumačenje.
Mikrograf s lijeve strane ilustrira primjer biofilma u plućima čovjeka. Infektivna nakupina pseudomonas bakterija obavijena je tamnim izvanstaničnim matriksom (vidi strelicu) koji sadrži biofilm. Kapsulacija unutar matrice štiti bakterije od napora imunološkog sustava da ih uništi. Matrica, prvenstveno izrađena od ugljikohidrata, može sadržavati i mišićne bjelančevine, aktin i miozin, koji se nalaze vezani za vanjske površine nekih bakterija. Vanjski proteini aktina i miozina omogućuju kretanje bakterija unutar matrice filma.
Mikrograf s desne strane je ista slika, ali s "membranom" nacrtanom oko periferije filma. Membrana oko filma omogućila bi bakterijskoj zajednici da fino kontrolira sastav i karakter svog okoliša, što je nužan razvoj koji bi poboljšao njihov opstanak. Ovaj modificirani film nalikuje citološkoj anatomiji evolucijski naprednije eukariotske stanice. U ovom slučaju bakterije bi predstavljale organele stanice, a matrica filma predstavljala bi citoskeletno bogatu citoplazmu između organela. Zanimljivo je da citoplazma eukariota posjeduje mnoge iste strukturne komponente koje karakteriziraju matricu biofilma. To se posebno odnosi na aktin i miozin koji omogućavaju bakterijama da se kreću u filmu na isti način na koji se organele kreću u citoplazmi.
Poanta ove rasprave je da bi naprednija eukariotska stanica, umjesto da je evoluirala kao jedan entitet, mogla predstavljati evoluciju bakterijske zajednice. Stanica bi predstavljala fino podešenu zajednicu prokariota koji su se diferencirali u organele. Takva hipoteza podupire vjerovanja pleomorfnih biologa, male, ali nepokolebljive skupine znanstvenika koja vjeruje da mikroorganizmi povezani s bolestima mogu predstavljati oblike života koji su nastali, izrasli iz izumirućih stanica. Ima smisla.
Bez obzira na to, u drugoj fazi evolucije vidjelo se podrijetlo sofisticiranije eukariotske (nukleirane) stanice. Međutim, evolucija je prestala kad je nukleirana stanica dosegla maksimalnu specifičnu veličinu, jer postoje fizička ograničenja koja se nameću staničnom životu. Ako stanica pokuša proširiti svoju površinu iznad zadane veličine, stanica će postati nestabilna, jer ako premaši određene dimenzije, membrana neće biti u stanju fizički ograničiti masu svoje citoplazme. To će dovesti do puknuća membrane i gubitka membranskog potencijala (iz kojeg stanica crpi životvornu energiju). Također, ako stanica premaši određeni promjer, tada postupak difuzije ne bi omogućio dovoljno kisika za metaboličku obradu da bi stigao do središnjeg dijela stanice.
Kao rezultat toga, u povijesti evolucije, prve 3 milijarde godina prvenstveno su bile povezane s pojavom i evolucijom jednoćelijskih organizama (bakterija, algi, praživotinja). Podrijetlo višećelijskih organizama predstavljalo je alternativni način za širenje površine membrane (tj. Potencijala svjesnosti) izvan ograničenja pojedinačne stanice. Slijedom toga, u onoj što je iznosilo treću fazu evolucije, povećanje biološke "računalne" snage (svjesnosti) rezultat je istog procesa organiziranja u zajednice višeg reda. Umjesto povećanja svijesti o pojedinačnoj eukariotskoj stanici, treća faza evolucije bavila se uređivanjem pojedinačnih "čipova" eukariotskih stanica u interaktivne sklopove.
Ovo "fazno" evoluiranje nalikuje onome koje se dogodilo u računalnoj industriji. Texas Instruments je razvio čip. Pojedinačni čipovi srce su jednostavnog kalkulatora. Međutim, kada su integrirani i ožičeni mnogi čipovi, osigurali su računalo. Kad su pojedina računala dosegla maksimalnu snagu, superračunala su stvorena okupljanjem mnogih računala u organiziranu paralelnu obradu „zajednice“. Odnos bakterije prema eukariotskoj stanici jednak je odnosu čipa s računalom. Odnos eukariotske stanice prema višećelijskom organizmu jednak je odnosu pojedinog računala prema cjelini u mreži paralelne obrade.
U računalima se "snaga" stroja mjeri u BIT kapacitetima rukovanja. U biološkim organizmima potencijal „svijesti“ ogleda se u broju i raznolikosti integriranih IMP kompleksa. Budući da je količina IMP-ova izravno povezana s "površinom", svijest postaje čimbenik zajedničkih membranskih površina u višećelijskim organizmima.
Uzmite u obzir taj odnos površine u pogledu evolucije mozga kralježnjaka. Prvi mozgovi kralježnjaka male su, glatke sfere. Kako se netko uspinje evolucijskom ljestvicom, mozak postaje sve veći, a veća površina naknadno proizlazi iz informacija na površini mozga koje proizvode karakteristične brazde i nabore naprednijih mozgova. Zanimljivo je da su ljudi na drugom mjestu s obzirom na svijest o površini mozga, jer mozak pliskavica i dupina ima veću površinu.
Predlaže se da slični jednoćelijskim praživotinjama, ljudska bića predstavljaju još jednu evolucijsku krajnju točku, najviši stupanj razvoja višećelijske biološke strukture. U nizu događaja suvišnih onima koji su se dogodili u prethodna dva evolucijska ciklusa, ljudska se evolucija nastavila kroz proces okupljanja i integracije pojedinaca u višestaničnu zajednicu. U ovoj zajednici poznatoj kao čovječanstvo, uloga svake osobe analogna je ulozi jedne stanice u ljudskom konstruktu. U globalnom pogledu na Zemlju kao živi organizam (Gaia), ljudi su IMP ekvivalenti u površinskoj membrani Zemlje. Ljudi se kao receptori i efektori okupljaju i integriraju u mreže s uzorkom (zajednicu) u Zemljinoj ovojnici u kojoj primaju okolišne "signale" i služe kao mehanizmi za prebacivanje membranskih vrata planeta.
Ova istraživanja otkrivaju da se prošla i buduća evolucija mogu matematički modelirati u strukturi i razradi stanične membrane. Najbolji način za organiziranje dvodimenzionalne površine membrane u trodimenzionalni prostor stanica je primjena fraktalne geometrije.
U prirodi većina anorganskih i organskih struktura izražava "nepravilan" obrazac. Međutim, unutar očitog kaosa nepravilnosti, utvrđuje se da se nepravilne strukture "redovito" ponavljaju (tj. Pokazuju oblik reda). Na primjer, uzorak grananja na grančici stabla često je isti uzorak grananja koji se opaža na deblu stabla. Uzorak grananja glavne rijeke identičan je obrascu grananja koji se uočava duž manjih pritoka. Uzorak grana duž bronha ponavljanje je uzorka grana dišnih putova duž najmanjih bronhiola. Slične slike ponavljanih obrazaca grananja u tijelu otkrivene su u arterijskim i venskim krvnim žilama i perifernom živčanom sustavu.
Francuski matematičar Benoit Mandelbrot prvi je prepoznao da geometrija mnogih prirodnih objekata otkriva sličan obrazac bez obzira na mjerilo na kojem je ispitivano. Što više povećavate sliku, to više struktura izgleda ista. Mandelbrot je uveo izraz "sebi sličan" da bi opisao takve predmete. “1975. godine Mandelbrot je skovao riječ fraktal kao prikladnu oznaku za nepravilne i usitnjene samoslične oblike.
Matematika fraktala nevjerojatno je jednostavna jer se sastoji od ponavljanja "operacija" sabiranja i množenja. U procesu se rezultat jedne operacije koristi kao ulaz za sljedeću operaciju; rezultat te operacije tada se koristi kao ulaz za sljedeću operaciju i tako dalje. Matematički, sve "operacije" koriste potpuno istu formulu, međutim, moraju se ponoviti milijune puta da bi se došlo do rješenja. Ručni rad i vrijeme potrebni za dovršenje fraktalne jednadžbe spriječili su matematičare da prepoznaju "snagu" fraktalne geometrije sve dok pojava moćnih računala nije omogućila Benoitu Mandelbrotu da definira ovu novu matematiku.
U klasičnoj geometriji točke, linije, površine i kubične strukture predstavljaju dimenzije izražene u cijelim brojevima, 0-, 1-, 2-, odnosno 3-dimenzijama. Fraktalna geometrija koristi se za modeliranje slika koje su više "interdimenzionalne". Na primjer, zakrivljena crta je jednodimenzionalni objekt. U fraktalima krivulja može toliko cik-cak da se zapravo približi ispunjavanju ravnine. Ako je krivulja crte relativno jednostavna, približna je dimenziji 1. Ako su krivulje crte toliko čvrsto zbijene da ispunjavaju prostor, crta se približava dvodimenzionalnoj. Fraktalna geometrija popunjava razmake između dimenzija cijelog broja.
Strukturne karakteristike fraktala relativno je jednostavno razumjeti: fraktali pokazuju ponovljeni uzorak "struktura" ugniježđenih jedna u drugu. Svaka manja građevina minijaturna je, ali ne nužno točna inačica većeg oblika. Fraktalna matematika naglašava odnos između obrazaca koji se vide u cjelini i obrazaca koji se vide u dijelovima te cjeline. Na primjer, uzorak grančica na grani nalikuje uzorku udova koji se odvajaju od debla. Fraktalni objekti mogu biti predstavljeni pomoću "okvira" unutar "okvira", "okvira", "okvira" itd. Ako netko zna parametre prvog "okvira", automatski se dobiva osnovno uzorak koji karakterizira sve ostale (veće ili manje) "kutije".
Kao što je opisao u članku Matematike ljudskog života W. Allman (citirano u referentnom dijelu), „Matematičke studije fraktala otkrivaju da struktura grananja unutar grananja fraktala predstavlja najbolji način da se dobije najviše površine unutar tri -dimenzionalni prostor ... " Dok je stanična membrana u stvarnosti trodimenzionalni objekt, njezin molekularni dvosloj ima konstantnu i jednoliku debljinu. Kao takva debljina membrane može se zanemariti i membrana se može modelirati kao dvodimenzionalna struktura "površine". Budući da je evolucija modeliranje svijesti o membrani (povezano s njezinom površinom), učinkovitost modeliranja koju pruža fraktalna geometrija najvjerojatnije bi odražavala onu koju je odabrala Priroda.
Poanta nije u tome da se uhvatite u matematici modeliranja. Poanta je u tome što fraktalni model predviđa da će se evolucija temeljiti na ponovljenom obrascu "struktura" ugniježđenih jedna u drugu! Preciznije, budući da se odnosi na koncept Fraktalne evolucije, „obrazac cjeline vidi se u dijelovima cjeline“, to znači da se obrazac čovjeka vidi u dijelovima (stanicama) čovjeka. Ako je netko svjestan obrasca po kojem je stanica funkcionalno organizirana, pruža mu se i uvid u organizaciju čovjeka. Uzmite u obzir ovo: fraktalne slike manjih struktura minijature su veće cjeline. Stoga, dok je struktura ljudi samo-slična slika njihovih vlastitih stanica, struktura ljudske civilizacije predstavljala bi sebi sličnu strukturu svojih sastavnih ljudi!
Ljudi su fraktalna slika društva, stanice su fraktalna slika čovjeka. Zapravo, stanice su također fraktalna slika društva. Fraktalna priroda evolucije nadalje se podrazumijeva ponovljenim, istim istim uzorcima uočenim u svakom od tri ciklusa evolucije.