Þróun með BITs og Pieces: In Introduction to Fractal Evolution
Himnusviðið sem umlykur hverja líffræðilega frumu samanstendur af byggingargrunni líffræðilegs örgjörvakerfis (sjá grein: Cellular Consciousness). Sem örgjörvi skanna himnuviðtaka frumunnar umhverfið eftir merkjum. Augljóslega er umhverfið flökurt af merkjum. Ef öll merki væru heyranleg, myndi umhverfið hljóma eins og hrópandi hávaði. Sértæki móttökunnar sem er einkennandi fyrir hvern viðtaka IMP gerir það hins vegar kleift að greina viðbótarmerkið frá öllum ruglaðri umhverfishljóðnum. Hæfileiki frumunnar til að sía gagnlegar upplýsingar með valinu út úr „óskipulegum“ hávaða líkist virkni Fourier umbreytinga [stærðfræðilegra síunarferla sem finna merki innan þess sem virðist vera hávaði] á flóknum aðföngum til að skynja tiltekna tíðni sem upplýsingamerki. Þó að umhverfið sé í vissum skilningi „óskipulegt“, með hundruðum og þúsundum samtímis „tjáðum“ merkjum, getur fruman aðeins lesið þau merki sem skipta máli fyrir tilvist hennar.
Byggt á virkni og uppbyggingu einkenna frumuhimnunnar táknar hver einasta fruma (td amoeba) a sjálfknúið örtölvukerfi. Eins og í stafrænum tölvum ræðst afl eða upplýsingameðhöndlun „farsíma“ tölvunnar af fjölda BITs sem hún getur stjórnað. Í tölvum eru BIT hlið / rásarfléttur, í himnu örgjörva eru BIT táknuð með viðtaka / effector fléttum. IMP sameindirnar sem samanstanda af BIT frumunum hafa skilgreint eðlisfræðilegar breytur og því er hægt að „mæla þær“.
Mál IMP próteina er um það bil það sama og þykkt himnunnar. Þar sem IMP eru, samkvæmt skilgreiningu, innan tvílags himnunnar, er aðeins hægt að raða próteinum saman sem einlag (sem þýðir að IMP er ekki hægt að stafla saman). Til að nota samlíkinguna brauð og smjör og ólífuolíu, þá eru aðeins svo margar ólífur sem hægt er að lagleggja á brauðið. Til að hafa fleiri ólífur í samlokunni þarf stærri brauðsneið. Sama á við um að fjölga skynjun-IMP einingum í himnunni: því fleiri IMPs - því meira flatarmál himna sem þarf til að halda þeim. Hæfileiki upplýsingavinnslu frumunnar (endurspeglast í fjölda skynjunarpróteina) er beintengdur við yfirborð himnunnar.
Djúppunktur þessarar umræðu ... Líffræðileg vitund er mælanlegur eiginleiki og er beint fylgni með yfirborðssvæði himnu frumunnar. Þar af leiðandi er reikningsgeta frumu ákvarðað líkamlega af takmörkunum sem settar eru á frumuvíddir.
The fyrsta áfanga þróunar lífsins snerti þróun og betrumbætur á hinni einstöku líffræðilegu tölvu 'flís', frumstæðri bakteríu. Stærð þessara frumstæðra lífvera er takmörkuð af því að þær búa yfir stífri ytri beinagrind sem er unnin úr fjölsykrum glycocalyx. Fylkið sem myndast við þvertengingu sykursameinda í þessum „kápu“ gerir ráð fyrir verndandi „beinagrind“ frumunnar, sem kallast hylki. Hylkið styður líkamlega og verndar þunna himnu frumunnar gegn því að hún rifni undir stofnum osmósuþrýstings.
Osmótískur þrýstingur er krafturinn sem myndast af löngun vatns til að hreyfa sig í gegnum himnu til að „koma jafnvægi“ á styrk agna beggja vegna himnuhindrunar. Umfrymi frumunnar er pakkað með agnum samanborið við vatnið sem frumurnar lifa í. Vatn frá ytra umhverfinu mun fara í gegnum himnuna til að þynna þéttni frumuefna. Fruman bólgnaði upp með vatni og þrýstingurinn myndi valda því að viðkvæma himnu tvílagið rifnaði og drepði frumuna. Útblöðru glycocalyx standast lífshættuleg osmótískan þrýsting.
Bakteríur eru frumujafngildi hryggleysingja, (dýr sem ekki hafa innri stoðgrindargrind (td samloka, skordýr, hlaupfisk). Þó að beinagrindin verndar bakteríuna, þá takmarkar stífur eðli hennar það einnig. Stærð bakteríufrumna takmarkast af ytri Stærðartakmörkun takmarkar magn himnu sem fruman getur haft. Himnuflötusvæði er í réttu hlutfalli við vitund, byggt á fjölda IMPs sem hún getur innihaldið. Bakteríuhylkið takmarkar þróun frumunnar þar sem það er lok á fjölda eininga. skynjunar sem himnan getur innihaldið.
Reyndar er mest af himnuflötum bakteríunnar notað til að hýsa nauðsynlegar IMP fléttur sem þarf til að lifa frumur. En hver baktería er einnig fær um að læra um sex „umhverfismerki“ til viðbótar. Til dæmis getur baktería öðlast getu til að standast sýklalyf sem komið er í umhverfið. Það gerir það með því að búa til yfirborðsviðtaka sem bindur og hamlar sameindir sýklalyfsins. Nýi viðtakinn er í grundvallaratriðum jafngildi próteins „mótefnis“ sem ónæmisfrumur okkar búa til til að hlutleysa ífarandi mótefnavaka.
Sköpun nýs viðtaka, samkvæmt skilgreiningu, felur í sér að það verður að vera nýtt gen búið til til að muna amínósýrukóðann fyrir það prótein. Í bakteríum eru þessar „nýju“ minni gen eru til staðar sem örsmáir hringir af DNA sem kallast plasmíð. Plasmíðin eru ekki líkamlega tengd við litning sem veitir arfleifð frumna og fljóta frjálslega í umfrymi. Bakteríur geta skapað að meðaltali um það bil sex mismunandi plasmíðum, sem hvert um sig er fengin af einstakri „reynslu“. Takmörkunin á fjölda plasmíða sem fruman býr yfir er ekki vegna vanhæfni til að búa til DNA. Því að bakterían getur búið til þúsund eintök af einhverjum af einstökum plasmíðum sem hún býr yfir. Takmarkanirnar verða að tengjast þeirri staðreynd að hvert „nýtt“ próteinskynjunarsamstæða krefst einingar af yfirborðsflatarmáli til að tjá starfsemi sína. Vanhæfni til að stækka himnu sína (þ.e. yfirborðsflatarmál) takmarkar getu bakteríunnar til að öðlast nýja skynjun (vitund).
Því meiri vitund því meiri getu til að lifa af. Takmarkanir á einstaklingum sem auka vitund þeirra leiddu til þess að bakteríur bjuggu í lauslega prjónuðu samfélögum. Ef einstök baktería getur „lært“ sex staðreyndir um umhverfið eru hundrað bakteríur sameiginlega færar um að vera meðvitaðar um 600 staðreyndir. Bakteríur þróuðu aðferðir til að flytja afrit af plasmíðum sínum til annarra baktería í samfélaginu. Með því að flytja afrit af „lærðu“ DNA þeirra deila þeir „vitund“ sinni með samfélaginu. Bakteríur geta flutt plasmíð til annars einstaklings. Viðtakandabakterían getur notað „vitund“ gefins plasmíðs meðan hún lifir en getur yfirleitt ekki komið afritum af plasmíðinu til afkvæmis dótturfrumna.
Bakteríur búa yfir fínum útvörpslíkum vörpum sem ná frá ytra yfirborði þeirra sem kallast pili. Þegar pili frá tveimur bakteríum snertir geta pilus himnurnar sameinast um stund og sameinast umfrymi frumanna tveggja saman. Á samrunastundinni geta bakteríurnar tvær skipt um afrit af plasmíðum sínum. Bakteríur geta einnig klúðrað frjálsu fljótandi DNA í umhverfinu, þannig að plasmíð sem sleppt er út í umhverfið, eins og gæti komið fram þegar fruma deyr og umfrymi hennar lekur út, geta verið hýdd af öðrum frumum. Umhverfið er hins vegar erfitt gagnvart frjálsu fljótandi DNA og plasmíðin brotna auðveldlega niður. Þriðja, árangursríkari leiðin til að dreifa „vitundar“ plasmíðum kom upp þegar bakteríur lærðu hvernig á að pakka plasmíð DNA sínu í verndandi próteinskeljar og búa til vírusa. Veirur innihalda „upplýsingar“ sem berast til annarra einstakra frumna í umhverfinu. Sumar vírusar drepa frumurnar sem taka þær upp en aðrar vírusar vernda frumurnar sem þær „smita“. Stundum eru „upplýsingar“ lífsstaðfestandi, stundum banvænar.
Bakteríusamfélög þróuðu leið til að auka lifun þeirra með því að beita fjölsykru utanfrumufylki til að umvefja allar frumur samfélagsins og „vernda“ þær gegn glösum náttúrunnar. Einstaka bakteríur gátu farið um „áveitu“ sund innan fylkisins. Rásirnar leyfðu einnig samskipti utanfrumuefna og upplýsingasameinda, sem veittu samfélagslega samþættingu meðal allra meðlima samfélagsins. Í frumusamfélaginu getur verið fjölbreytt bakteríutegund. Til dæmis geta súrefnishræddar loftfirrðar tegundir baktería lifað neðst í samfélaginu, en súrefniselskandi loftháðar bakteríur eru til staðar í efri stigum sama samfélags. Bakteríur innan samfélagsins eru auðveldlega færar um að skiptast á DNA sínu og gera þar með kleift borgurunum kleift að öðlast sérhæfða, aðgreindar aðgerðir.
Þessi bakteríusamfélög sem fylla fylki eru kölluð líffilmar (sjá mynd hér að neðan). Lífsmyndir hafa orðið mjög mikilvægar þar sem þær eru nú viðurkenndar til að vernda bakteríusamfélög gegn sýklalyfjum. Bakteríurnar sem mynda tönnholur eru í raun líffilmsamfélög sem standast viðleitni okkar til að hreinsa þær frá tönnunum. Viðnám og verndandi eðli kvikmyndanna gerði þessum samfélögum kleift að vera fyrstu lífsformin til að yfirgefa hafið og lifa á landinu.
Fyrir mörgum árum stofnaði líffræðingurinn Lynn Margulis hugmyndina um að hvatberar væru bakteríulíkar lífverur sem réðust inn í umfrymið í fullkomnari frumum sem innihalda kjarna sem kallast heilkjörnungar. Upphaflega voru hugmyndir hennar gert að athlægi af stofnuninni en í gegnum árin hefur það orðið að viðtekinni trú. Athyglisvert er að skilningur á samfélagslegu eðli baktería í líffilmum býður upp á aðra túlkun.
Örmyndin til vinstri sýnir dæmi um líffilm í lungum manna. Smitandi pseudomonas bakteríuklumpurinn er umlukinn í dökkri litun utanfrumu fylki (sjá ör) sem samanstendur af líffilmu. Hylki innan fylkisins verndar bakteríurnar gegn viðleitni ónæmiskerfisins til að eyða þeim. Fylkið, fyrst og fremst úr kolvetnum, getur einnig innihaldið vöðvapróteinin, aktín og mýósín, sem finnast bundin við ytri yfirborð sumra baktería. Ytri aktín og mýósín prótein gera bakteríunum kleift að hreyfast innan fylkis kvikmyndarinnar.
Örmyndin til hægri er sama myndin en með „himnu“ teiknuð utan um jaðar myndarinnar. Himna utan um kvikmyndina myndi gera bakteríusamfélaginu kleift að stjórna samsetningu og eðli umhverfis síns fínt, nauðsynleg þróun sem myndi auka lifun þeirra. Þessi breytta mynd líkist frumufræðilegri líffærafræði þróunarfyllingar heilkjarnafrumunnar. Í þessu tilfelli myndu bakteríurnar tákna frumulíffæri frumunnar og fylki myndarinnar myndi tákna frumufrumuríkt frumufrumu milli frumulíffæra. Athyglisvert er að heilkjörnunga umfrymið býr yfir mörgum sömu uppbyggingarþáttum sem einkenna fylki líffilmsins. Þetta á sérstaklega við um aktín og mýósín sem gera bakteríunum kleift að hreyfa sig í filmunni á sama hátt og frumulíffæri hreyfast í umfrymi.
Aðalatriðið í þessari umræðu er að lengra komna heilkjarnafrumukrabbamein, frekar en að vera ein þróuð eining, gæti táknað þróun bakteríusamfélags. Fruma myndi tákna fínstillt samfélag prokaryóta sem hafa aðgreinst í frumulíffæri. Slík tilgáta styður trú pleomorphic líffræðinga, lítillar en staðfastrar hóps vísindamanna sem telja að sjúkdómstengdar örverur geti táknað lífsform sem spruttu upp, sprottin úr deyjandi frumum. Er rökrétt.
Burtséð frá því að annar áfangi þróunarinnar sá uppruna flóknari heilkjarnafrumnafrumunnar. Þróunin hætti þó þegar kjarnafruman náði hámarks sérstakri stærð, því það eru líkamlegar takmarkanir á frumulífi. Ef fruman reynir að stækka yfirborðsflatarmagn sitt yfir tiltekna stærð verður fruman óstöðug, því ef hún fer yfir ákveðnar víddir getur himnan ekki takmarkað líkamlega umfrymið. Þetta mun leiða til rofs í himnunni og glata möguleika himnunnar (sem fruman sækir lífsgjafarorku sína í). Einnig, ef fruman fer yfir ákveðið þvermál, en dreifingarferlið myndi ekki gera nægilegt súrefni kleift fyrir efnaskiptavinnslu að komast að miðhluta frumunnar.
Þess vegna, í þróunarsögunni, voru fyrstu 3 milljarðar ára fyrst og fremst tengdir útliti og þróun einfrumu lífvera (bakteríur, þörungar, frumdýr). Það var uppruni fjölfrumna lífvera sem táknuðu aðra leið til að stækka yfirborð himnunnar (þ.e. meðvitundarmöguleika) umfram takmarkanir einstakrar frumu. Þess vegna, í því sem nam þriðja stigi þróunar, varð aukning á líffræðilegum „tölvu“ valdi (vitund) af sama skipulagi í hærri röð samfélaga. Frekar en að auka vitund um hina einstöku heilkjörnungafrumu, snerist þriðji áfangi þróunarinnar um röðun á einstökum heilkjarnafrumuflögum í gagnvirkar þættir.
Þessi „áfangi“ þróunarinnar líkist því sem átti sér stað í tölvuiðnaðinum. Texas Instruments þróaði flísina. Einstök flís eru hjarta einfalda reiknivélarinnar. Hins vegar, þegar margar spilapeningar voru samþættir og tengdir saman, sáu þeir fyrir tölvunni. Þegar einstakar tölvur náðu hámarksafli sínu voru ofurtölvur búnar til með því að setja margar tölvur saman í skipulagt „samfélag“. Tengsl bakteríunnar við heilkjörnungafrumuna jafngilda sambandi flísarinnar við tölvuna. Tengsl heilkjörnufrumunnar við fjölfrumu lífveruna er það sama og tengsl einstaklings tölvunnar við heildina í samhliða vinnslukerfi.
Í tölvum er „máttur“ vélarinnar mældur í BIT meðferðargetu. Í líffræðilegum lífverum endurspeglast möguleikinn á „vitund“ í fjölda og fjölbreytni samþættra IMP fléttna. Þar sem magn IMP er beintengt við „yfirborðsflatarmál“ verður vitund þáttur í sameiginlegum himnuflötum í fjölfrumu lífverunum.
Hugleiddu að flatarmálssamband varðandi þróun heilahryggja. Fyrstu heila hryggdýra eru litlir, sléttir kúlur. Þegar maður stígur upp þróunarstigann verða heilarnir stærri og meira yfirborð er síðan fengið frá innfellingum á yfirborði heilans sem framleiða einkennandi sulci (raufar) og gyri (brjóta) þróaðri heila. Athyglisvert er að þegar vitað er um meðvitund hvað varðar yfirborð heila eru menn í öðru sæti þar sem heila úr höfrum og höfrungum hefur stærra yfirborð.
Lagt er til að svipað og frumfrumudýrar í einfrumum, séu menn annar endapunktur þróunarinnar, hæsta þroskastig líffræðilegrar uppbyggingar. Í röð atburða sem eru óþarfir þeim sem áttu sér stað í tveimur fyrri lotum þróunarinnar, hélt þróun mannkynsins áfram með samkomuferli og samþættingu einstaklinga í fjöl- „frumu“ samfélag. Í þessu samfélagi sem kallað er mannkyn er hlutverk hvers og eins hliðstætt hlutverki einnar frumu í manngerðinni. Í hnattrænni sýn á jörðina sem lifandi lífveru (Gaia) eru menn IMP ígildi í yfirborðshimnu jarðar. Menn, sem viðtakar og aflgjafar, setja sig saman og samlagast mynstrauðu neti (samfélagi) í umslagi jarðarinnar þar sem þeir fá umhverfis „merki“ og þjóna sem skiptibúnaður fyrir himnuhlið jarðarinnar.
Þessar rannsóknir leiða í ljós að fyrri og framtíðarþróun er hægt að móta stærðfræðilega í uppbyggingu og útfærslu frumuhimnunnar. Besta leiðin til að raða tvívíðu himnuyfirborði í þrívítt frumurými er að nota beinfrumufræði.
Í náttúrunni tjá flest ólífræn og lífræn mannvirki „óreglulegt“ mynstur. Hins vegar, innan augljósrar óreiðu óreglu, finnur maður að óreglulegu mannvirkin eru „reglulega“ endurtekin (þ.e. þau sýna form af röð). Til dæmis er mynstrið í greininni í kvisti trésins oft sama greinarmynstrið og sést á skottinu á trénu. Kynningarmynstur stóru árinnar er eins og kvísl kvíslarinnar sem sést meðfram minni þverám hennar. Mynstur greina meðfram berkjunni er ítrekun á mynstri loftvegsgreina meðfram minnstu berkjum. Svipaðar myndir af ítrekuðu kvíslarmynstri í líkamanum koma fram í slagæðum og bláæðum í æðum og úttaugakerfi.
Franski stærðfræðingurinn Benoit Mandelbrot var fyrstur til að viðurkenna að rúmfræði margra hluta náttúrunnar leiddi í ljós svipað mynstur óháð stærðinni sem hún var skoðuð á. Því meira sem þú stækkar myndina, því meira virðist uppbyggingin sú sama. Mandelbrot kynnti hugtakið „sjálfstætt“ til að lýsa slíkum hlutum. „Árið 1975 smíðaði Mandelbrot orðið fractal sem þægilegt merkimiða fyrir óregluleg og sundurlaus sjálfsmynd.
Stærðfræði beinbrota er ótrúlega einföld að því leyti að hún samanstendur af því að endurtaka „aðgerðir“ viðbóta og margföldunar. Í því ferli er niðurstaðan af einni aðgerð notuð sem inntak fyrir síðari aðgerðina; niðurstaðan af þeirri aðgerð er síðan notuð sem inntak fyrir næstu aðgerð o.s.frv. Stærðfræðilega nota allar „aðgerðir“ nákvæmlega sömu formúlu, þó verður að endurtaka þær milljónir sinnum til að fá lausnina. Handavinnan og tíminn sem þarf til að ljúka brotabrotajöfnu kom í veg fyrir að stærðfræðingar viðurkenndu „kraft“ Fractal Geometry þar til tilkoma öflugra tölvna gerði Benoit Mandelbrot kleift að skilgreina þessa nýju stærðfræði.
Í klassískri rúmfræði tákna punktarnir, línurnar, yfirborðssvæðin og rúmmetra mannvirkin öll mál sem eru gefin upp í heilum heilum tölum, 0-, 1-, 2- og 3-víddir, í sömu röð. Fraktal rúmfræði er notað til að módela myndir sem eru meira „millidimensional“. Til dæmis er bogin lína 1-víddar hlutur. Í beinbrotum getur ferillinn sikksakkað svo mikið að hann kemur í raun nálægt því að fylla planið. Ef ferill línunnar er tiltölulega einfaldur er hann nálægt víddinni 1. Ef ferlar línunnar eru svo þéttir að þeir fylla rýmið nálgast línan 2 víddir. Brotamæling fyllir út bilin milli heildartölustærða.
Uppbyggingareinkenni beinbrota er tiltölulega einfalt að skilja: beinbrot sýna ítrekað mynstur „mannvirkja“ sem varpað er hvert inn í annað. Hver smærri uppbygging er smækkuð en ekki endilega nákvæm útgáfa af stærra forminu. Brotstærðfræði leggur áherslu á tengslin milli mynstranna sem sjást í heildinni og mynstranna sem sjást í hlutum þessarar heildar. Munstrið af kvistum á grein líkist til dæmis mynstri útlima sem kvíslast af skottinu. Brothlutir geta verið táknaðir með „kassa“ innan „kassa“, innan „kassa“, innan „kassa“ osfrv. Ef maður þekkir breytur fyrsta „reitsins“, þá fær maður sjálfkrafa grunn mynstur sem einkennir alla aðra (stærri eða minni) „kassa“.
Eins og lýst er í greininni um stærðfræði mannlífsins eftir W. Allman (vitnað í tilvísunarhluta), „Stærðfræðilegar rannsóknir á beinbrotum leiða í ljós að burðarvirki innan greinar beinbrotsins táknar bestu leiðina til að ná sem flestum yfirborðsflötum -víddarrými .... “ Þó frumuhimnan sé í raun þrívíddarhlutur, þá hefur sameinda tvílag hennar stöðuga og einsleita þykkt. Sem slík er hægt að hunsa þykkt himnunnar og líkanið er hægt að móta það sem tvívíddar "yfirborðsflatarmál". Þar sem þróun er líkan vitundar himnunnar (tengt yfirborðsflatarmáli) hennar, myndi skilvirkni líkanagerðarinnar sem gefin er með beinbrotum rúmfræði líklegast endurspegla það sem náttúran valdi.
Málið er ekki að festast í stærðfræði líkanagerðarinnar. Málið er að beinbrotalíkanið spáir því að þróun byggist á ítrekuðu mynstri „mannvirkja“ sem eru hreiðrað inn í hvert annað! Nánar tiltekið, þar sem það varðar hugtakið brotabrot, „mynstur heildarinnar sést í hlutum heildarinnar,“ þýðir þetta að mynstur mannsins sést í hlutum (frumum) mannsins. Ef maður er meðvitaður um mynstrið sem fruman er skipulögð eftir, fær maður einnig innsýn í skipulag mannsins. Hugleiddu þetta: beinmyndir smærri mannvirkja eru smámyndir af stærri heildinni. Þess vegna, á meðan uppbygging mannanna er svipuð mynd af eigin frumum þeirra, myndi uppbygging mannlegrar siðmenningar tákna sjálf svipaða uppbyggingu íhluta mannanna!
Menn eru brotmynd samfélagsins, frumur eru brotmynd af manninum. Reyndar eru frumur beinmynd af samfélaginu líka. Fraktal eðli þróunar er ennfremur gefið í skyn með ítrekuðu, sjálfssömu mynstri sem sést hefur í hverri af þremur lotum þróunarinnar.