Evolusi oleh BIT dan Potongan: Pengantar Evolusi Fraktal
Batas membran yang menyelimuti setiap sel biologis terdiri dari dasar struktural sistem prosesor biologis (lihat artikel: Kesadaran Seluler). Sebagai prosesor, reseptor membran sel memindai lingkungan untuk mencari sinyal. Jelas lingkungan dibanjiri sinyal. Jika semua sinyal terdengar, lingkungan akan terdengar seperti suara yang menggelegar. Namun, kekhususan penerimaan yang merupakan karakteristik untuk setiap reseptor IMP, memungkinkannya untuk membedakan sinyal komplementernya dari semua kebisingan ambien yang campur aduk. Kemampuan sel untuk menyaring informasi yang berguna secara selektif dari kebisingan "kacau" menyerupai fungsi transformasi Fourier [proses penyaringan matematis yang menemukan sinyal dalam apa yang tampak sebagai kebisingan] pada input kompleks untuk melihat frekuensi tertentu sebagai sinyal informasi. Sementara lingkungan dalam arti "kacau", dengan ratusan dan ribuan "sinyal" yang diekspresikan secara bersamaan, sel dapat secara selektif membaca hanya sinyal-sinyal yang relevan dengan keberadaannya.
Berdasarkan fitur fungsional dan struktural membran sel, setiap sel tunggal (misalnya, amuba) mewakili a sistem mikrokomputer mandiri. Seperti pada komputer digital, daya atau kapasitas penanganan informasi dari komputer "seluler" ditentukan oleh jumlah BIT yang dapat dikelolanya. Di komputer, BIT adalah kompleks gerbang/saluran, dalam prosesor membran, BIT diwakili oleh kompleks reseptor/efektor. Molekul IMP yang terdiri dari BIT sel telah menentukan parameter fisik dan karenanya dapat "diukur."
Dimensi protein IMP kira-kira sama dengan ketebalan membran. Karena IMP, menurut definisi, berada di dalam bilayer membran, protein hanya dapat diatur sebagai lapisan tunggal (artinya IMP tidak dapat ditumpuk satu sama lain). Untuk menggunakan metafora roti dan mentega dan sandwich zaitun, hanya ada begitu banyak buah zaitun yang bisa dilapiskan di atas roti. Untuk memiliki lebih banyak buah zaitun dalam sandwich membutuhkan penggunaan sepotong roti yang lebih besar. Hal yang sama berlaku untuk meningkatkan jumlah unit persepsi-IMP dalam membran: semakin banyak IMP-semakin luas permukaan membran yang dibutuhkan untuk menahannya. Kemampuan pemrosesan informasi sel (tercermin dalam jumlah protein persepsi) secara langsung terkait dengan luas permukaan membran.
Poin mendalam dari wacana ini… Kesadaran biologis adalah sifat yang dapat diukur, dan adalah berkorelasi langsung dengan luas permukaan membran sel. Akibatnya kekuatan komputasi sel secara fisik ditentukan oleh batasan yang dikenakan pada dimensi seluler.
Grafik fase pertama evolusi kehidupan berkaitan dengan pengembangan dan penyempurnaan 'chip' komputer biologis individu, bakteri primitif. Ukuran organisme primitif ini dibatasi oleh fakta bahwa mereka memiliki kerangka luar yang kaku, yang berasal dari polisakarida glikokaliks. Matriks yang dihasilkan oleh ikatan silang molekul gula dalam "mantel" ini menyediakan "kerangka" pelindung sel, yang disebut kapsul. Kapsul secara fisik menopang dan melindungi membran tipis sel agar tidak pecah di bawah tekanan osmotik.
Tekanan osmotik adalah gaya yang dihasilkan oleh keinginan air untuk bergerak melalui membran untuk "menyeimbangkan" konsentrasi partikel di setiap sisi penghalang membran. Sitoplasma sel dikemas dengan partikel dibandingkan dengan air tempat sel hidup. Air dari lingkungan luar akan melewati membran untuk mengencerkan konsentrasi partikel sitoplasma. Sel akan membengkak dengan air dan tekanan akan menyebabkan bilayer membran halus pecah, membunuh sel. Eksoskeleton glikokaliks menolak tekanan osmotik yang mengancam kehidupan.
Bakteri adalah sel yang setara dengan invertebrata, (hewan yang tidak memiliki kerangka pendukung internal (misalnya, kerang, serangga, ubur-ubur). Sementara kerangka melindungi bakteri, sifatnya yang kaku juga membatasinya. Ukuran sel bakteri dibatasi oleh bagian luarnya. kapsul. Batasan ukuran membatasi jumlah membran yang dapat dimiliki sel. Luas permukaan membran sebanding dengan kesadaran, berdasarkan jumlah IMP yang dapat dikandungnya. Kapsul bakteri membatasi evolusi sel karena ada batasan jumlah unit persepsi membran dapat berisi.
Faktanya, sebagian besar luas permukaan membran bakteri digunakan untuk menampung kompleks IMP yang diperlukan untuk kelangsungan hidup sel. Namun, setiap bakteri juga mampu mempelajari sekitar enam “sinyal” lingkungan tambahan. Misalnya, bakteri dapat memperoleh kemampuan untuk menolak antibiotik yang dimasukkan ke lingkungan. Ini dilakukan dengan menciptakan reseptor permukaan yang mengikat dan menghambat molekul antibiotik. Reseptor baru pada dasarnya setara dengan "antibodi" protein yang dibuat oleh sel kekebalan kita untuk menetralkan antigen invasif.
Penciptaan reseptor baru, menurut definisi, menyiratkan bahwa harus ada gen baru yang dibuat untuk mengingat kode asam amino untuk protein itu. Pada bakteri, "baru" ini ingatan gen hadir sebagai lingkaran kecil DNA yang disebut plasmid. Plasmid tidak secara fisik melekat pada kromosom penyedia hereditas sel dan mengapung bebas di sitoplasma. Bakteri mampu menciptakan rata-rata sekitar enam berbeda plasmid, masing-masing berasal dari "pengalaman" belajar yang unik. Keterbatasan jumlah plasmid yang dimiliki sel bukan karena ketidakmampuan membuat DNA. Karena bakteri dapat membuat ribuan salinan dari setiap plasmid individu yang dimilikinya. Keterbatasan harus terkait dengan fakta bahwa setiap kompleks persepsi protein "baru" membutuhkan satuan luas permukaan untuk mengekspresikan fungsinya. Ketidakmampuan untuk memperluas membrannya (yaitu, luas permukaan) membatasi kemampuan bakteri untuk memperoleh persepsi baru (kesadaran).
Semakin banyak kesadaran semakin besar kemampuan untuk bertahan hidup. Keterbatasan individu meningkatkan kesadaran mereka, menyebabkan bakteri yang hidup di komunitas longgar merajut. Jika satu bakteri dapat “mempelajari” enam fakta tentang lingkungan, maka seratus bakteri secara kolektif mampu mengetahui 600 fakta. Bakteri mengembangkan mekanisme untuk mentransfer salinan plasmid mereka ke bakteri lain di komunitas. Dengan mentransfer salinan DNA "yang dipelajari" mereka, mereka berbagi "kesadaran" mereka dengan komunitas. Bakteri dapat mentransfer plasmid ke individu lain. Bakteri penerima dapat menggunakan "kesadaran" plasmid yang disumbangkan selama hidupnya, tetapi umumnya tidak dapat meneruskan salinan plasmid ke keturunan sel anak.
Bakteri memiliki tonjolan seperti tentakel yang memanjang dari permukaan luarnya yang disebut pili. Ketika pili dari dua bakteri bersentuhan, membran pilus dapat menyatu sejenak, menyatukan sitoplasma kedua sel. Pada saat fusi, kedua bakteri dapat bertukar salinan plasmid mereka. Bakteri juga dapat mengikat DNA yang mengambang bebas di lingkungan, sehingga plasmid yang dilepaskan ke lingkungan, seperti yang mungkin terjadi ketika sel mati dan sitoplasmanya bocor, dapat diambil oleh sel lain. Namun, lingkungan sulit pada DNA yang mengambang bebas dan plasmid mudah rusak. Cara ketiga yang lebih efektif untuk mendistribusikan plasmid “kesadaran” muncul ketika bakteri belajar bagaimana mengemas DNA plasmid mereka ke dalam cangkang protein pelindung, menciptakan virus. Virus mengandung "informasi" yang dilepaskan ke sel individu lain di lingkungan. Beberapa virus membunuh sel yang mengambilnya, sementara virus lain melindungi sel yang "diinfeksi". Terkadang "informasi" menguatkan kehidupan, terkadang mematikan.
Komunitas bakteri mengembangkan sarana untuk meningkatkan kelangsungan hidup mereka dengan menyebarkan matriks ekstraseluler polisakarida untuk menyelimuti semua sel dalam komunitas dan "melindungi" mereka dari kerusakan lingkungan liar. Bakteri individu dapat bergerak melalui saluran "irigasi" di dalam matriks. Saluran juga memungkinkan komunikasi bahan ekstraseluler dan molekul informasi, yang menyediakan integrasi komunal di antara semua anggota komunitas. Komunitas seluler dapat diisi dengan berbagai spesies bakteri. Misalnya, bentuk bakteri anaerob yang takut oksigen dapat hidup di dasar komunitas, sedangkan bakteri aerob yang menyukai oksigen ada di tingkat atas komunitas yang sama. Bakteri dalam komunitas dapat dengan mudah bertukar DNA mereka, dan dengan demikian memungkinkan warga seluler untuk memperoleh fungsi khusus yang berbeda.
Komunitas bakteri yang terbungkus matriks ini disebut biofilm (lihat ilustrasi di bawah). Biofilm menjadi sangat penting karena sekarang dikenal untuk melindungi komunitas bakteri dari antibiotik. Bakteri yang membentuk gigi berlubang sebenarnya adalah komunitas biofilm, yang menolak upaya kita untuk menggosoknya dari gigi kita. Sifat resistif dan protektif dari biofilm memungkinkan komunitas ini menjadi bentuk kehidupan pertama yang meninggalkan laut dan hidup di darat.
Bertahun-tahun yang lalu, ahli biologi Lynn Margulis menemukan konsep bahwa mitokondria adalah organisme mirip bakteri yang menginvasi sitoplasma sel yang mengandung nukleus yang lebih maju yang disebut eukariota. Pada awalnya ide-idenya diejek oleh pihak mapan, tetapi selama bertahun-tahun itu telah menjadi kepercayaan yang diterima secara luas. Menariknya, pemahaman tentang sifat komunal bakteri dalam biofilm menawarkan interpretasi lain.
Mikrograf di sebelah kiri menggambarkan contoh biofilm di paru-paru manusia. Gumpalan bakteri pseudomonas infektif terbungkus dalam matriks ekstraseluler pewarnaan gelap (lihat panah) yang terdiri dari biofilm. Enkapsulasi dalam matriks melindungi bakteri dari upaya sistem kekebalan untuk menghancurkannya. Matriks, terutama terbuat dari karbohidrat, juga dapat mengandung protein otot, aktin dan miosin, yang ditemukan terikat pada permukaan luar beberapa bakteri. Protein aktin dan miosin eksternal memungkinkan bakteri bergerak di dalam matriks film.
Mikrograf di sebelah kanan adalah gambar yang sama, tetapi dengan "membran" yang digambar di sekeliling pinggiran film. Sebuah membran di sekitar film akan memungkinkan komunitas bakteri untuk mengontrol komposisi dan karakter lingkungan mereka dengan baik, suatu perkembangan yang diperlukan yang akan meningkatkan kelangsungan hidup mereka. Film yang dimodifikasi ini menyerupai anatomi sitologi sel eukariotik yang lebih maju secara evolusioner. Dalam hal ini bakteri akan mewakili organel sel dan matriks film akan mewakili sitoplasma kaya sitoskeletal antara organel. Menariknya, sitoplasma eukariota memiliki banyak komponen struktural yang sama yang menjadi ciri matriks biofilm. Hal ini terutama berlaku untuk aktin dan miosin yang memungkinkan bakteri bergerak dalam film dengan cara yang sama seperti organel bergerak di sitoplasma.
Inti dari diskusi ini adalah bahwa sel eukariotik yang lebih maju, daripada menjadi entitas tunggal yang berevolusi, mungkin mewakili evolusi komunitas bakteri. Sebuah sel akan mewakili komunitas prokariota yang disetel dengan baik yang telah berdiferensiasi menjadi organel. Hipotesis semacam itu mendukung keyakinan ahli biologi pleomorfik, sekelompok kecil ilmuwan yang percaya bahwa mikroorganisme terkait penyakit dapat mewakili bentuk kehidupan yang muncul, bertunas, dari sel yang sekarat. Masuk akal.
Terlepas dari itu, fase kedua evolusi melihat asal usul sel eukariotik (bernukleus) yang lebih canggih. Namun, evolusi berhenti ketika sel berinti mencapai ukuran spesifik maksimumnya, karena ada batasan fisik yang dikenakan pada kehidupan seluler. Jika sel berusaha memperluas luas permukaannya melampaui ukuran tertentu, sel akan menjadi tidak stabil, karena jika melebihi dimensi tertentu, membran tidak akan mampu secara fisik membatasi massa sitoplasmanya. Ini akan menyebabkan pecahnya membran dan hilangnya potensi membran (dari mana sel menarik energi pemberi kehidupan). Juga, jika sel melebihi diameter tertentu, maka proses difusi tidak akan memungkinkan oksigen yang cukup untuk proses metabolisme mencapai bagian tengah sel.
Akibatnya, dalam sejarah evolusi, 3 miliar tahun pertama terutama dikaitkan dengan penampilan dan evolusi organisme uniseluler (bakteri, ganggang, protozoa). Itu adalah asal organisme multiseluler yang mewakili cara alternatif untuk memperluas area permukaan membran (yaitu, potensi kesadaran) di luar batasan sel tunggal. Akibatnya, dalam tahap evolusi ketiga, peningkatan kekuatan biologis "komputer" (kesadaran) dihasilkan dari proses pengorganisasian yang sama ke dalam komunitas tingkat tinggi. Alih-alih meningkatkan kesadaran sel eukariotik individu, fase ketiga evolusi berkaitan dengan pemesanan 'kepingan' sel eukariotik individu ke dalam rakitan interaktif.
“Pentahapan” evolusi ini menyerupai apa yang terjadi di industri komputer. Texas Instruments mengembangkan chip tersebut. Chip individu adalah jantung dari kalkulator sederhana. Namun, ketika banyak chip terintegrasi dan dihubungkan bersama, mereka menyediakannya untuk komputer. Ketika masing-masing komputer mencapai daya maksimumnya, superkomputer diciptakan dengan merakit banyak komputer menjadi "komunitas" pemrosesan paralel yang terorganisir. Hubungan bakteri dengan sel eukariotik sama dengan hubungan chip dengan komputer. Hubungan sel eukariotik dengan organisme multisel sama dengan hubungan komputer individu dengan keseluruhan dalam jaringan pemrosesan paralel.
Di komputer, "kekuatan" mesin diukur dalam kapasitas penanganan BIT. Dalam organisme biologis, potensi "kesadaran" tercermin dalam jumlah dan variasi kompleks IMP yang terintegrasi. Karena jumlah IMP secara langsung terkait dengan "luas permukaan", kesadaran menjadi faktor permukaan membran bersama dalam organisme multiseluler.
Pertimbangkan bahwa hubungan luas permukaan sehubungan dengan evolusi otak vertebrata. Otak vertebrata pertama adalah bola kecil dan halus. Saat seseorang menaiki tangga evolusi, otak menjadi lebih besar dan luas permukaan selanjutnya diturunkan dari lipatan permukaan otak yang menghasilkan karakteristik sulci (alur) dan gyri (lipatan) otak yang lebih maju. Menariknya, ketika mempertimbangkan kesadaran dalam hal permukaan otak, manusia berada di urutan kedua karena otak lumba-lumba dan lumba-lumba memiliki luas permukaan yang lebih besar.
Diusulkan bahwa mirip dengan protozoa uniseluler, manusia mewakili titik akhir evolusi lainnya, tingkat perkembangan tertinggi untuk struktur biologis multiseluler. Dalam serangkaian peristiwa yang berlebihan seperti yang terjadi dalam dua siklus evolusi sebelumnya, evolusi manusia berlanjut melalui proses perakitan dan integrasi individu ke dalam komunitas multi-seluler. Dalam komunitas yang dikenal sebagai kemanusiaan ini, peran setiap orang dianalogikan dengan peran sel tunggal dalam konstruksi manusia. Dalam pandangan global Bumi sebagai organisme hidup (Gaia), manusia adalah padanan IMP di membran permukaan Bumi. Manusia, sebagai reseptor dan efektor, berkumpul dan berintegrasi ke dalam jaringan berpola (komunitas) di selubung bumi di mana mereka menerima "sinyal" lingkungan dan berfungsi sebagai mekanisme peralihan gerbang membran planet.
Studi-studi ini mengungkapkan bahwa evolusi masa lalu dan masa depan dapat dimodelkan secara matematis dalam struktur dan elaborasi membran sel. Cara terbaik untuk mengatur luas permukaan membran dua dimensi menjadi ruang sel tiga dimensi adalah dengan menggunakan geometri fraktal.
Di Alam, sebagian besar struktur anorganik dan organik mengekspresikan pola "tidak teratur". Namun, di dalam kekacauan ketidakteraturan yang tampak, orang menemukan bahwa struktur yang tidak teratur itu "secara teratur" berulang (yaitu, mereka menunjukkan bentuk keteraturan). Misalnya, pola percabangan pada ranting pohon seringkali sama dengan pola percabangan yang diamati pada batang pohon. Pola percabangan sungai besar identik dengan pola percabangan yang diamati di sepanjang anak-anak sungainya yang lebih kecil. Pola percabangan sepanjang bronkus merupakan pengulangan pola percabangan jalan nafas sepanjang bronkiolus terkecil. Gambar serupa dari pola percabangan berulang dalam tubuh terungkap dalam pembuluh darah arteri dan vena dan sistem saraf perifer.
Matematikawan Prancis, Benoit Mandelbrot adalah orang pertama yang mengakui bahwa geometri banyak objek Alam mengungkapkan pola yang sama terlepas dari skala yang diperiksanya. Semakin Anda memperbesar gambar, semakin struktur tampak sama. Mandelbrot memperkenalkan istilah "self-similar" untuk menggambarkan objek semacam itu. “Pada tahun 1975, Mandelbrot menciptakan kata fraktal sebagai label yang cocok untuk bentuk serupa diri yang tidak beraturan dan terfragmentasi.
Matematika fraktal sangat sederhana karena terdiri dari pengulangan "operasi" penambahan dan perkalian. Dalam prosesnya, hasil dari satu operasi digunakan sebagai input untuk operasi berikutnya; hasil dari operasi tersebut kemudian digunakan sebagai input untuk operasi berikutnya, dan seterusnya. Secara matematis, semua "operasi" menggunakan rumus yang sama persis, namun harus diulang jutaan kali untuk mendapatkan solusinya. Tenaga kerja manual dan waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan persamaan fraktal mencegah matematikawan mengenali "kekuatan" Geometri Fraktal sampai munculnya komputer yang kuat memungkinkan Benoit Mandelbrot untuk mendefinisikan matematika baru ini.
Dalam geometri klasik titik, garis, luas permukaan dan struktur kubik semuanya mewakili dimensi yang dinyatakan dalam bilangan bulat utuh, masing-masing 0-, 1-, 2-, dan 3-dimensi. Geometri fraktal digunakan untuk memodelkan gambar yang lebih "interdimensional". Misalnya garis lengkung adalah benda 1 dimensi. Dalam fraktal, kurva dapat zig-zag sedemikian rupa sehingga hampir memenuhi bidang. Jika kurva garis relatif sederhana mendekati dimensi 1. Jika kurva garis itu sangat rapat sehingga memenuhi ruang, garis mendekati 2 dimensi. Geometri Fraktal mengisi ruang antara dimensi bilangan bulat.
Karakteristik struktural fraktal relatif sederhana untuk dipahami: fraktal menunjukkan pola berulang dari "struktur" yang bersarang satu sama lain. Setiap struktur yang lebih kecil adalah miniatur, tetapi belum tentu merupakan versi pasti dari bentuk yang lebih besar. Matematika fraktal menekankan hubungan antara pola yang terlihat secara keseluruhan dan pola yang terlihat pada bagian dari keseluruhan itu. Misalnya, pola ranting pada cabang menyerupai pola anggota badan yang bercabang dari batang. Objek fraktal dapat diwakili oleh "kotak" di dalam "kotak", di dalam "kotak", di dalam "kotak", dll. Jika seseorang mengetahui parameter dari "kotak" pertama, maka ia secara otomatis diberikan dasar pola yang mencirikan semua "kotak" lainnya (lebih besar atau lebih kecil).
Seperti yang dijelaskan dalam artikel Matematika Kehidupan Manusia oleh W. Allman (dikutip dalam bagian referensi), “Studi matematika fraktal mengungkapkan bahwa struktur percabangan-dalam-percabangan dari fraktal mewakili cara terbaik untuk mendapatkan luas permukaan terbanyak dalam tiga -ruang dimensi….” Sementara membran sel pada kenyataannya adalah objek 3 dimensi, lapisan ganda molekulnya memiliki ketebalan yang konstan dan seragam. Dengan demikian, ketebalan membran dapat diabaikan dan membran dapat dimodelkan sebagai struktur "luas permukaan" 2 dimensi. Karena evolusi adalah pemodelan kesadaran membran (terkait dengan luas permukaannya), efisiensi pemodelan yang diberikan oleh geometri fraktal kemungkinan besar akan mencerminkan yang dipilih oleh Alam.
Intinya adalah untuk tidak terjebak dalam matematika pemodelan. Intinya adalah bahwa model fraktal memprediksi bahwa evolusi akan didasarkan pada pola berulang dari "struktur' yang bersarang di dalam satu sama lain! Lebih khusus lagi, berkaitan dengan konsep Fraktal Evolution, “pola keseluruhan terlihat pada bagian-bagian dari keseluruhan”, ini berarti bahwa pola manusia terlihat pada bagian-bagian (sel) manusia. Jika seseorang menyadari pola di mana sel secara fungsional diatur, maka seseorang juga diberikan wawasan tentang organisasi manusia. Pertimbangkan ini: gambar fraktal dari struktur yang lebih kecil adalah miniatur dari keseluruhan yang lebih besar. Oleh karena itu, sementara struktur manusia adalah gambaran serupa diri dari sel mereka sendiri, struktur peradaban manusia akan mewakili struktur serupa diri dari komponen manusia!
Manusia adalah citra fraktal masyarakat, sel adalah citra fraktal manusia. Faktanya, sel juga merupakan gambaran fraktal masyarakat. Sifat fraktal dari evolusi selanjutnya diimplikasikan oleh pengulangan, pola-pola yang sama yang diamati pada masing-masing dari tiga siklus evolusi.