Evolution by BITs and Pieces: Bevezetés a fraktál evolúcióba
Az egyes biológiai sejteket körülvevő membránhatár magában foglalja a biológiai processzorrendszer strukturális alapját (lásd cikk: Sejt-tudat). Feldolgozóként a sejt membránreceptorai jeleket keresnek a környezetben. Nyilvánvaló, hogy a környezet tele van jelekkel. Ha minden jel hallható lenne, a környezet harsogó zajnak tűnne. Mindazonáltal az egyes receptor IMP-kre jellemző vételi specifitás lehetővé teszi, hogy megkülönböztesse komplementer jelét az összes összekevert környezeti zajtól. A sejt azon képessége, hogy szelektíven kiszűrje a hasznos információkat a „kaotikus” zajból, hasonlít a Fourier-transzformációk funkciójához [matematikai szűrési folyamatok, amelyek a zajnak tűnő jeleket találnak] a komplex bemeneteken, hogy az adott frekvenciákat információs jelekként érzékeljék. Míg a környezet bizonyos értelemben „kaotikus”, több száz és ezer egyidejűleg kifejeződő „jel” van, a sejt szelektíven csak azokat a jeleket tudja olvasni, amelyek relevánsak a létezése szempontjából.
A sejtmembrán funkcionális és szerkezeti jellemzői alapján minden egyes sejt (pl. Amőba) a saját meghajtású mikrokomputer rendszer. A digitális számítógépekhez hasonlóan a „cellás” számítógép teljesítményét vagy információkezelési kapacitását az általa kezelhető BIT-ek száma határozza meg. A számítógépekben a BIT kapu / csatorna komplexek, a membrán processzorban a BIT receptor / effektor komplexek. A sejt BIT-jeit tartalmazó IMP-molekulák meghatározott fizikai paraméterekkel rendelkeznek, ezért „mérhetők”.
Az IMP fehérjék mérete megközelítőleg megegyezik a membrán vastagságával. Mivel az IMP-k definíció szerint a membrán kétrétegében találhatók, a fehérjék csak egyrétegűek lehetnek (vagyis az IMP-k nem rakhatók egymásra). A kenyér, vaj és olíva szendvics metafora használatához csak annyi olajbogyó rétegezhető a kenyérre. Ahhoz, hogy több olajbogyó legyen a szendvicsben, nagyobb szelet kenyeret kell használni. Ugyanez vonatkozik az érzékelés-IMP egységek számának növelésére a membránban: minél több IMP - annál nagyobb felületű membrán szükséges a tartásukhoz. A sejt információfeldolgozási képessége (amely az érzékelési fehérjék számában tükröződik) közvetlenül kapcsolódik a membrán felületéhez.
A diskurzus mélypontja ... A biológiai tudatosság mérhető tulajdonság, és az közvetlenül összefügg a sejt membránjának felületével. Következésképpen a sejtek számítási teljesítményét fizikailag a sejttestekre szabott korlátozások határozzák meg.
A az evolúció első fázisa Az élet biológiai számítógépes „chipjének”, a primitív baktériumnak a fejlesztésével és finomításával foglalkozott. Ezeknek a primitív szervezeteknek a méretét korlátozza az a tény, hogy merev külső csontvázuk van, amely a glycocalyx poliszacharidjaiból származik. Az ebben a „rétegben” lévő cukormolekulák térhálósításával előállított mátrix biztosítja a sejt védő „csontvázat”, az úgynevezett kapszulát. A kapszula fizikailag támogatja és megvédi a sejt vékony membránját az ozmotikus nyomás alatt álló törzsektől.
Az ozmotikus nyomás az az erő, amelyet a víz vágy mozog a membránon keresztül, hogy „egyensúlyba hozza” a részecskék koncentrációját a membránsorompó mindkét oldalán. A sejt citoplazmája részecskékkel van tele ahhoz a vízhez képest, amelyben a sejtek élnek. A külső környezetből származó víz áthalad a membránon, hogy hígítsa a citoplazmatikus részecskék koncentrációját. A sejt megduzzadna vízzel, és a nyomás miatt a finom membrán kétréteg felszakad, megölve a sejtet. A glycocalyx exoskeleton ellenáll az életet veszélyeztető ozmotikus nyomásnak.
A baktériumok a gerinctelenek (állatok, amelyek nem rendelkeznek belső támogató csontvázzal (pl. Kagyló, rovarok, zselés halak) sejttel egyenértékűek). Míg a csontváz védi a baktériumot, merev jellege szintén korlátozza. A baktérium sejtméretét külső határa korlátozza. kapszula. A méretkorlátozás korlátozza a sejt birtokában lévő membrán mennyiségét. A membrán felülete arányos a tudatossággal, a benne lévő IMP-k száma alapján. A bakteriális kapszula korlátozza a sejt evolúcióját, mivel az egységek száma korlátozott az észlelés, amelyet a membrán tartalmazhat.
Valójában a baktérium membránfelületének legnagyobb részét a sejtek túléléséhez szükséges IMP-komplexek elhelyezésére használják. Mindegyik baktérium azonban képes hat további környezeti „jel” megismerésére is. Például egy baktérium képes megszerezni azt a képességet, hogy ellenálljon a környezetbe bevitt antibiotikumnak. Ezt úgy hozza létre, hogy létrehoz egy felszíni receptort, amely megköti és gátolja az antibiotikum molekuláit. Az új receptor alapvetően megegyezik egy fehérje „antitesttel”, amelyet immunsejtjeink létrehoznak az invazív antigén semlegesítésére.
Egy új receptor létrehozása definíció szerint azt jelenti, hogy új génnek kell létrejönnie, hogy emlékezzen az adott fehérje aminosav kódjára. A baktériumokban ezek az „új” emlékezet a gének a DNS apró köreiként vannak jelen, amelyeket plazmidoknak nevezünk. A plazmidok fizikailag nem kapcsolódnak a sejt öröklődését biztosító kromoszómához, és szabadon lebegnek a citoplazmában. A baktériumok átlagosan körülbelül hatot képesek létrehozni különböző plazmidok, amelyek mindegyike egyedi tanulási „tapasztalatból” származik. A sejttel rendelkező plazmidok számának korlátozása nem annak a következménye, hogy képtelen DNS-t előállítani. A baktérium ugyanis több ezer másolatot készíthet a birtokában lévő egyedi plazmidokból. A korlátozásoknak összefüggésben kell lenniük azzal a ténnyel, hogy minden „új” fehérje-észlelési komplexumhoz egységnyi felületre van szükség funkcióinak kifejezéséhez. A membrán (azaz a felület) kibővítésének képtelensége korlátozza a baktérium képességét új észlelések (tudatosság) megszerzésére.
Minél több tudatosság, annál nagyobb a túlélés képessége. Az egyének tudatosságának növelésével kapcsolatos korlátozások oda vezetnek, hogy a lazán kötött közösségekben baktériumok élnek. Ha egy baktérium hat tényt tud megtudni a környezetről, akkor száz baktérium együttesen képes 600 tény ismeretére. A baktériumok olyan mechanizmusokat fejlesztettek ki, amelyek plazmidjaik másolatait a közösség más baktériumaiba továbbítják. A „tanult” DNS másolatainak átadásával megosztják „tudatosságukat” a közösséggel. A baktériumok átvihetnek egy plazmidot egy másik egyedre. A befogadó baktérium élete során felhasználhatja az adományozott plazmid „tudatosságát”, de általában nem tudja továbbadni a plazmid másolatait leánysejt utódainak.
A baktériumok finom csápszerű kiemelkedésekkel rendelkeznek, amelyek a pili nevű külső felületükről nyúlnak ki. Amikor a két baktériumból származó pili összeér, a pilus membránjai pillanatnyilag összeolvadhatnak, összekapcsolva a két sejt citoplazmáját. A fúzió pillanatában a két baktérium kicserélheti plazmidjainak másolatait. A baktériumok a szabadon lebegő DNS-t is képesek feltárni a környezetben, így a környezetbe felszabaduló plazmidok - mint egy sejt elpusztulásakor és a citoplazma kiszivárogtatásakor előfordulhatnak - más sejtek által is befoghatók. A környezet azonban nehezen áll a szabadon lebegő DNS-sel szemben, és a plazmidok könnyen lebomlanak. A „tudatosság” plazmidok terjesztésének harmadik, hatékonyabb eszköze akkor merült fel, amikor a baktériumok megtanulták, hogyan kell plazmid DNS -üket védő fehérje héjakba csomagolni, vírusokat létrehozva. A vírusok olyan információkat tartalmaznak, amelyek a környezet más sejtjeibe kerülnek. Egyes vírusok megölik az őket felvevő sejteket, míg más vírusok megvédik az általuk „megfertőzött” sejteket. Néha az „információ” megerősíti az életet, néha halálos.
A baktériumközösségek kifejlesztettek egy módszert a túlélésük növelésére azáltal, hogy egy poliszacharid extracelluláris mátrixot telepítettek, hogy beborítsák a közösség összes sejtjét, és „megvédjék” őket a vad környezet káros hatásaitól. Az egyes baktériumok „öntözött” csatornákon keresztül tudtak mozogni a mátrixon belül. A csatornák lehetővé tették az extracelluláris anyagok és információmolekulák kommunikációját is, amely közösségi integrációt biztosított a közösség minden tagja között. A sejtközösség sokféle baktériumfajtával népesülhet fel. Például az oxigéntől félő anaerob baktériumok a közösség alján élhetnek, míg az oxigént szerető aerob baktériumok ugyanannak a közösségnek a felső szintjén vannak. A közösségen belüli baktériumok könnyen képesek kicserélni DNS-jüket, és ezáltal képessé teszik a sejtes állampolgárokat speciális, differenciált funkciók megszerzésére.
Ezeket a mátrixba foglalt baktériumközösségeket biofilmeknek nevezzük (lásd az alábbi ábrát). A biofilmek nagyon fontosak lettek, mivel mára felismerték, hogy megvédik a baktériumközösségeket az antibiotikumokkal szemben. A fogüregeket képező baktériumok valójában biofilm-közösségek, amelyek ellenállnak annak az erőfeszítésünknek, hogy eltávolítsuk őket a fogainkból. A biofilmek rezisztív és védő jellege lehetővé tette, hogy ezek a közösségek legyenek az első életformák, amelyek elhagyják az óceánt és a szárazföldön élnek.
Sok évvel ezelőtt Lynn Margulis biológus megalapozta azt a koncepciót, hogy a mitokondrium baktériumszerű organizmus, amely behatolt eukariótáknak nevezett, fejlettebb magot tartalmazó sejtek citoplazmájába. Eleinte elképzeléseit csúfolta a létesítmény, de az évek során ez széles körben elfogadott hitté vált. Érdekes módon a biofilmekben található baktériumok közösségi természetének megértése egy másik értelmezést kínál.
A bal oldali mikrográf egy példát mutat be az emberi tüdőben található biofilmről. A fertőző pseudomonas baktériumcsomót sötét színű extracelluláris mátrixba (lásd nyíl) foglaljuk, amely biofilmet tartalmaz. A mátrixba való beágyazás megvédi a baktériumokat az immunrendszer törekvéseitől. Az elsősorban szénhidrátokból álló mátrix tartalmazhat izomfehérjéket, az aktint és a miozint is, amelyek meg vannak kötve egyes baktériumok külső felületeivel. A külső aktin és a miozin fehérjék lehetővé teszik a baktériumok mozgását a film mátrixában.
A jobb oldali mikrográf ugyanaz a kép, de egy „membránnal” rajzolva a film perifériájára. A film körüli membrán lehetővé tenné a baktériumközösség számára, hogy finoman ellenőrizhesse környezetének összetételét és jellegét, ami szükséges fejlődés, amely fokozza a túlélésüket. Ez a módosított film hasonlít az evolúciósan fejlettebb eukarióta sejt citológiai anatómiájára. Ebben az esetben a baktériumok a sejt organellumait képviselik, a film mátrixa pedig az organellumok közötti citoszkeletális gazdag citoplazmát képviseli. Érdekes módon az eukarióták citoplazmája sok olyan szerkezeti komponenssel rendelkezik, amelyek a biofilm mátrixát jellemzik. Ez különösen igaz az aktinra és a miozinra, amelyek lehetővé teszik a baktériumok mozgását a filmben ugyanúgy, mint az organellák a citoplazmában.
Ennek a beszélgetésnek az a lényege, hogy a fejlettebb eukarióta sejt nem egy kibontakozott entitás, hanem egy bakteriális közösség evolúcióját képviseli. Egy sejt a prokarióták finomhangolt közösségét képviselné, amelyek organellákká differenciálódnak. Egy ilyen hipotézis alátámasztja a pleomorf biológusok meggyőződését, egy olyan kicsi, de meggyőződéses tudóscsoportot, akik úgy gondolják, hogy a betegséggel összefüggő mikroorganizmusok olyan életformákat képviselhetnek, amelyek a haldokló sejtekből fakadtak ki. Van értelme.
Ettől függetlenül az evolúció második fázisa látta a kifinomultabb eukarióta (sejtmaggal rendelkező) sejt eredetét. Az evolúció azonban akkor szűnt meg, amikor a maggombásodott sejt elérte maximális fajlagos méretét, mivel a sejtek életének fizikai korlátai vannak. Ha a sejt megpróbálja kiterjeszteni a felületét egy adott méreten túl, a sejt instabillá válik, mert ha meghaladja bizonyos méreteket, a membrán fizikailag nem lesz képes korlátozni a citoplazma tömegét. Ez a membrán repedéséhez és a membránpotenciál elvesztéséhez vezet (amelyből a sejt éltető energiáját meríti). Továbbá, ha a sejt meghalad egy bizonyos átmérőt, akkor a diffúzió folyamata nem teszi lehetővé az oxigén számára az anyagcsere-feldolgozáshoz a sejt központi részének elérését.
Ennek eredményeként az evolúció történetében az első 3 milliárd év elsősorban a megjelenéshez és az evolúcióhoz kapcsolódó egysejtű szervezetekhez (baktériumok, algák, protozoonok) kapcsolódott. A többsejtű organizmusok eredete jelentette a membrán felületének (azaz a tudatosság potenciáljának) az egyetlen sejt korlátain kívüli kiterjesztésének alternatív módját. Következésképpen, ami az evolúció harmadik szakaszának felel meg, a biológiai „számítógépes” erő (tudatosság) növekedése ugyanabból a folyamatból következik, amely magasabb rendű közösségekbe szerveződik. Az egyes eukarióta sejtek tudatosságának növelése helyett az evolúció harmadik fázisa az egyes eukarióta sejtek „chipjeinek” interaktív egységekké rendezésével foglalkozott.
Az evolúciónak ez a „fázisa” hasonlít arra, ami a számítógép-iparban történt. A Texas Instruments fejlesztette ki a chipet. Az egyszerű chipek az egyszerű számológép szíve. Amikor azonban sok chipet integráltak és huzaloztak, akkor biztosítottak a számítógép számára. Amikor az egyes számítógépek elérték maximális teljesítményüket, szuperszámítógépeket hoztak létre úgy, hogy sok számítógépet szervezett párhuzamosan feldolgozott „közösséggé” állítottak össze. A baktérium kapcsolata az eukarióta sejtekkel egyenértékű a chip és a számítógép kapcsolatával. Az eukarióta sejt kapcsolata a többsejtű organizmussal megegyezik az egyedi számítógép viszonyával az egészhez egy párhuzamosan feldolgozott hálózatban.
A számítógépeknél a gép „teljesítményét” BIT kezelési kapacitásokban mérik. A biológiai organizmusokban a „tudatosság” lehetősége tükröződik az integrált IMP-komplexek számában és változatosságában. Mivel az IMP-k mennyisége közvetlenül kapcsolódik a „felülethez”, a tudatosság a megosztott membránfelületek tényezőjévé válik a többsejtű organizmusokban.
Vegye figyelembe a gerinces agy evolúciójának összefüggését a felületen. Az első gerinces agy kicsi, sima gömb. Amint az ember felemelkedik az evolúciós létrán, az agyak nagyobbak lesznek, és később nagyobb felületet kapnak az agy felszínének behajtásai, amelyek előidézik a fejlettebb agy jellegzetes sulci (barázdái) és gyri (redők). Érdekes, hogy az agy felszínével kapcsolatos tudatosság figyelembevételével az emberek a második helyen állnak, mivel a delfinek és a delfinek agyának nagyobb a felülete.
Javasoljuk, hogy az egysejtű protozoonokhoz hasonlóan az emberek egy másik evolúciós végpontot, a többsejtű biológiai szerkezet legmagasabb fejlettségi szintjét képviselik. Az evolúció előző két ciklusában bekövetkezett eseményekhez képest felesleges események sorában az emberi evolúció folytatódott az egyének összeszerelésének és integrációjának folyamatán keresztül egy több „sejtes” közösségbe. Ebben az emberiségként ismert közösségben minden ember szerepe analóg az emberi konstrukció egyetlen sejtjének szerepével. A Föld mint élő szervezet (Gaia) globális nézetében az emberek az IMP megfelelői a Föld felszíni membránjában. Az emberek, mint receptorok és effektorok, a Föld burkolatában összeállnak és mintázatos hálózatokba (közösségbe) integrálódnak, ahol környezeti „jeleket” fogadnak, és a bolygó membránkapuinak kapcsolási mechanizmusaként szolgálnak.
Ezek a vizsgálatok feltárják, hogy a múltbeli és a jövőbeli evolúció matematikailag modellezhető a sejtmembrán felépítésében és kidolgozásában. A kétdimenziós membránfelület háromdimenziós sejttérbe rendezésének legjobb módja a fraktálgeometria alkalmazása.
A természetben a legtöbb szervetlen és szerves szerkezet „szabálytalan” mintázatot fejez ki. A szabálytalanságok látszólagos káoszán belül azonban megállapítható, hogy a szabálytalan struktúrák „rendszeresen” megismétlődnek (azaz egyfajta sorrendet mutatnak). Például a fa gallyában az elágazás mintázata gyakran ugyanaz az elágazási mintázat, amely a fa törzsén figyelhető meg. Egy nagy folyó elágazási mintázata megegyezik a kisebb mellékfolyói mentén megfigyelt elágazási mintázattal. A hörgő mentén az ágak mintázata megismétli a légúti ágak mintázatát a legkisebb hörgők mentén. A testben ismétlődő elágazási mintázatok hasonló képei tárulnak fel az artériás és vénás erekben, valamint a perifériás idegrendszerben.
A francia matematikus, Benoit Mandelbrot volt az első, aki felismerte, hogy a Nature számos objektumának geometriája hasonló mintázatot mutat, függetlenül a vizsgált skálától. Minél jobban nagyítja a képet, annál jobban jelenik meg a szerkezet. Mandelbrot bevezette az „önmagához hasonló” kifejezést az ilyen objektumok leírására. „1975-ben Mandelbrot a szabálytalan és töredezett önhasonló alakzatok kényelmes címkéjeként alkotta meg a fraktál szót.
A fraktálok matematikája elképesztően egyszerű, mivel az összeadások és szorzások „műveleteinek” megismétléséből áll. A folyamat során egy művelet eredményét használják a következő művelet bemeneteként; ennek a műveletnek az eredményét használják majd bemenetként a következő művelethez stb. Matematikailag az összes „művelet” pontosan ugyanazt a képletet használja, azonban a megoldás megszerzéséhez milliókat kell ismételni. A fraktálegyenlet elkészítéséhez szükséges kézi munka és idő megakadályozta a matematikusokat abban, hogy felismerjék a fraktálgeometria „erejét”, amíg az erős számítógépek megjelenése lehetővé tette Benoit Mandelbrot számára, hogy meghatározza ezt az új matematikát.
A klasszikus geometriában a pontok, vonalak, felületek és köbös struktúrák mind egész számokban, 0-, 1-, 2- és 3-dimenziókban megadott dimenziókat képviselik. A „interdimenzionálisabb” képek modellezésére a fraktál geometriát alkalmazzák. Például egy görbe vonal egydimenziós objektum. A fraktálokban a görbe annyira cikk-cakk lehet, hogy valójában megközelíti a sík kitöltését. Ha a vonal görbéje viszonylag egyszerű, akkor közel áll az 1-es mérethez. Ha a vonal görbéi annyira szorosan vannak csomagolva, hogy kitöltik a teret, akkor az egyenes megközelíti a 1-dimenziót. A fraktálgeometria kitölti az egész számdimenziók közötti tereket.
A fraktálok szerkezeti jellemzőit viszonylag egyszerűen meg lehet érteni: a fraktálok egymásba ágyazott „struktúrák” ismételt mintázatát mutatják. Minden kisebb szerkezet egy miniatűr, de nem feltétlenül a nagyobb forma pontos változata. A fraktál matematika az egészben látott minták és az egész részében látott mintázatok közötti kapcsolatot hangsúlyozza. Például az ág gallyainak mintázata hasonlít a törzsről elágazó végtagok mintájára. A fraktál objektumokat egy „doboz”, egy „doboz”, egy „doboz”, egy „doboz” stb. Ábrázolhatja. Ha valaki ismeri az első „doboz” paramétereit, akkor automatikusan megkapja az alapvető mintázat, amely az összes többi (nagyobb vagy kisebb) „mezőt” jellemzi.
Amint azt az emberi élet matematikája, W. Allman (hivatkozási részben hivatkozva) cikkében leírják: „A fraktálok matematikai vizsgálata azt mutatja, hogy a fraktál elágazó, elágazó ágon belüli szerkezete jelenti a legjobb módot arra, hogy a legtöbb felületet három dimenziós tér…. ” Míg a sejtmembrán a valóságban háromdimenziós tárgy, molekuláris kétrétege állandó és egyenletes vastagságú. Mint ilyen, a membrán vastagsága figyelmen kívül hagyható, és a membrán 3 dimenziós „felületi” szerkezetként modellezhető. Mivel az evolúció a membrán tudatosságának modellezése (annak felületével összefüggésben), a fraktálgeometria által biztosított modellezés hatékonysága nagy valószínűséggel tükrözné a Nature által választottat.
A lényeg, hogy ne ragadjunk bele a modellezés matematikájába. A lényeg az, hogy a fraktál modell azt jósolja, hogy az evolúció egy egymásba ágyazott „struktúrák” ismételt mintájára épül! Pontosabban, mivel a Fraktál Evolúció fogalmához kapcsolódik, „az egész mintázata az egész részeiben látható”, ez azt jelenti, hogy az ember mintázata az ember részeiben (sejtjeiben) látható. Ha valaki tisztában van a sejt funkcionális szerveződésének mintájával, akkor betekintést nyerhetünk egy ember szervezetébe is. Gondoljunk csak erre: a kisebb struktúrák fraktálképei a nagyobb egész miniatúrái. Ezért, míg az emberek szerkezete saját sejtjeinek önmagához hasonló képe, az emberi civilizáció felépítése az ember alkotóelemeinek önmagához hasonló struktúráját képviselné!
Az emberek a társadalom fraktálképe, a sejtek az ember fraktál képei. Valójában a sejtek a társadalom fraktális képei is. Az evolúció fraktál jellegét tovább sugallják az evolúció három ciklusának mindegyikében megfigyelt, ismételt, önmagával megegyező minták.