Evoluzione per bit e pezzi: un'introduzione all'evoluzione frattale
Il confine della membrana che avvolge ogni cellula biologica costituisce la base strutturale di un sistema di elaborazione biologica (vedi articolo: Coscienza cellulare). In qualità di processore, i recettori di membrana della cellula scansionano l'ambiente alla ricerca di segnali. Ovviamente l'ambiente è inondato di segnali. Se tutti i segnali fossero udibili, l'ambiente suonerebbe come un rumore assordante. Tuttavia, la specificità di ricezione che è caratteristica per ciascun recettore IMP, gli consente di distinguere il suo segnale complementare da tutto il rumore ambientale confuso. La capacità della cellula di filtrare selettivamente le informazioni utili dal rumore "caotico" assomiglia alla funzione delle trasformazioni di Fourier [processi di filtraggio matematico che trovano segnali all'interno di ciò che sembra essere rumore] su input complessi per percepire frequenze specifiche come segnali informativi. Mentre l'ambiente è in un certo senso "caotico", con centinaia e migliaia di "segnali" espressi contemporaneamente, la cellula può leggere selettivamente solo quei segnali che sono rilevanti per la sua esistenza.
Sulla base delle caratteristiche funzionali e strutturali della membrana cellulare, ogni singola cellula (ad es., l'ameba) rappresenta a sistema di microcomputer autoalimentato. Come nei computer digitali, la potenza o la capacità di gestione delle informazioni del computer "cellulare" è determinata dal numero dei suoi BIT che può gestire. Nei computer, i BIT sono complessi porta/canale, nel processore a membrana i BIT sono rappresentati da complessi recettore/effettore. Le molecole IMP che compongono i BIT della cellula hanno parametri fisici definiti e quindi possono essere "misurate".
La dimensione delle proteine IMP è approssimativamente uguale allo spessore della membrana. Poiché gli IMP, per definizione, risiedono all'interno del doppio strato della membrana, le proteine possono essere disposte solo come un monostrato (il che significa che gli IMP non possono essere impilati l'uno sull'altro). Per usare la metafora del panino con pane e burro e olive, ci sono solo così tante olive che possono essere sovrapposte al pane. Per avere più olive nel panino è necessario l'utilizzo di una fetta di pane più grande. Lo stesso vale per l'aumento del numero di unità di percezione-IMP nella membrana: più IMP, maggiore è la superficie della membrana necessaria per contenerli. La capacità di elaborazione delle informazioni della cellula (riflessa nel numero di proteine di percezione) è direttamente collegata alla superficie della membrana.
Il punto profondo di questo discorso... La consapevolezza biologica è una proprietà misurabile, ed è direttamente correlato con la superficie della membrana cellulare. Di conseguenza la potenza di calcolo di una cella è fisicamente determinata dalle limitazioni imposte alle dimensioni cellulari.
Le prima fase di evoluzione della vita riguardava lo sviluppo e il perfezionamento del "chip" del computer biologico individuale, il batterio primitivo. La dimensione di questi organismi primitivi è limitata dal fatto che possiedono uno scheletro esterno rigido, derivato dai polisaccaridi del glicocalice. La matrice prodotta dalla reticolazione delle molecole di zucchero in questo "rivestimento" fornisce lo "scheletro" protettivo della cellula, chiamato capsula. La capsula sostiene fisicamente e protegge la sottile membrana cellulare dalla rottura sotto gli sforzi della pressione osmotica.
La pressione osmotica è la forza generata dal desiderio dell'acqua di muoversi attraverso una membrana per "bilanciare" la concentrazione di particelle su ciascun lato della barriera della membrana. Il citoplasma della cellula è ricco di particelle rispetto all'acqua in cui vivono le cellule. L'acqua proveniente dall'ambiente esterno passerà attraverso la membrana per diluire la concentrazione di particolato citoplasmatico. La cellula si gonfierebbe con l'acqua e la pressione causerebbe la rottura del delicato doppio strato di membrana, uccidendo la cellula. L'esoscheletro del glicocalice resiste alla pressione osmotica pericolosa per la vita.
I batteri sono l'equivalente cellulare degli invertebrati (animali che non possiedono uno scheletro di supporto interno (ad es. vongole, insetti, meduse). Mentre lo scheletro protegge il batterio, anche la sua natura rigida lo limita. La dimensione della cellula batterica è limitata dalla sua capsula La limitazione delle dimensioni limita la quantità di membrana che la cellula può possedere La superficie della membrana è proporzionale alla consapevolezza, in base al numero di IMP che può contenere La capsula batterica limita l'evoluzione della cellula poiché c'è un limite al numero di unità di percezione che la membrana può contenere.
In effetti, la maggior parte della superficie della membrana del batterio viene utilizzata per ospitare i complessi IMP necessari per la sopravvivenza cellulare. Tuttavia, ogni batterio è anche in grado di apprendere circa sei ulteriori "segnali" ambientali. Ad esempio, un batterio può acquisire la capacità di resistere a un antibiotico introdotto nell'ambiente. Lo fa creando un recettore di superficie che lega e inibisce le molecole dell'antibiotico. Il nuovo recettore è fondamentalmente l'equivalente di un "anticorpo" proteico che le nostre cellule immunitarie creano per neutralizzare un antigene invasivo.
La creazione di un nuovo recettore, per definizione, implica che ci debba essere un nuovo gene creato per ricordare il codice dell'aminoacido per quella proteina. Nei batteri, questi “nuovi” memoria i geni sono presenti come minuscoli cerchi di DNA chiamati plasmidi. I plasmidi non sono fisicamente attaccati al cromosoma che fornisce l'ereditarietà della cellula e fluttuano liberamente nel citoplasma. I batteri sono in grado di creare una media di circa sei diverso plasmidi, ciascuno derivato da una "esperienza" di apprendimento unica. La limitazione del numero di plasmidi che la cellula possiede non è dovuta all'incapacità di produrre DNA. Perché il batterio può fare migliaia di copie di uno qualsiasi dei singoli plasmidi che possiede. Le limitazioni devono essere legate al fatto che ogni “nuovo” complesso di percezione proteica richiede un'unità di superficie per esprimere le sue funzioni. L'incapacità di espandere la sua membrana (cioè l'area superficiale) limita la capacità del batterio di acquisire nuove percezioni (consapevolezza).
Maggiore è la consapevolezza, maggiore è la capacità di sopravvivere. Le limitazioni agli individui che aumentano la loro consapevolezza, hanno portato i batteri a vivere in comunità poco unite. Se un singolo batterio può "imparare" sei fatti sull'ambiente, cento batteri sono collettivamente in grado di conoscere 600 fatti. I batteri hanno sviluppato meccanismi per trasferire copie dei loro plasmidi ad altri batteri nella comunità. Trasferendo copie del loro DNA "appreso", condividono la loro "consapevolezza" con la comunità. I batteri possono trasferire un plasmide a un altro individuo. Il batterio ricevente può utilizzare la "consapevolezza" del plasmide donato durante la sua vita, ma generalmente non può trasmettere copie del plasmide alla sua progenie di cellule figlie.
I batteri possiedono sottili proiezioni simili a tentacoli che si estendono dalla loro superficie esterna chiamate pili. Quando i pili di due batteri si toccano, le membrane del pilo possono fondersi momentaneamente, unendo insieme il citoplasma delle due cellule. Al momento della fusione, i due batteri possono scambiarsi copie dei loro plasmidi. I batteri sono anche in grado di assorbire il DNA fluttuante nell'ambiente, quindi i plasmidi rilasciati nell'ambiente, come potrebbe accadere quando una cellula muore e il suo citoplasma fuoriesce, possono essere eliminati da altre cellule. Tuttavia, l'ambiente è difficile per il DNA fluttuante e i plasmidi si rompono facilmente. Un terzo mezzo più efficace per distribuire i plasmidi di "consapevolezza" è sorto quando i batteri hanno imparato a impacchettare il proprio DNA plasmidico in gusci proteici protettivi, creando virus. I virus contengono "informazioni" che vengono rilasciate ad altre singole cellule nell'ambiente. Alcuni virus uccidono le cellule che li raccolgono, mentre altri virus proteggono le cellule che "infettano". A volte “l'informazione” afferma la vita, a volte è letale.
Le comunità batteriche hanno evoluto un mezzo per aumentare la loro sopravvivenza distribuendo una matrice extracellulare di polisaccaridi per avvolgere tutte le cellule della comunità e "proteggerle" dalle devastazioni dell'ambiente selvaggio. I singoli batteri sono stati in grado di muoversi attraverso i canali "irrigati" all'interno della matrice. I canali consentivano anche una comunicazione di materiali extracellulari e molecole di informazione, che fornivano un'integrazione comunitaria tra tutti i membri della comunità. La comunità cellulare può essere popolata con una varietà di specie batteriche. Ad esempio, le forme anaerobiche di batteri che temono l'ossigeno possono vivere nella parte inferiore di una comunità, mentre i batteri aerobi che amano l'ossigeno sono presenti nei livelli superiori della stessa comunità. I batteri all'interno della comunità sono prontamente in grado di scambiare il loro DNA, e così facendo consentono ai cittadini cellulari di acquisire funzioni specializzate e differenziate.
Queste comunità batteriche racchiuse nella matrice sono chiamate biofilm (vedi illustrazione sotto). I biofilm sono diventati molto importanti poiché ora è riconosciuto che proteggono le comunità batteriche dagli antibiotici. I batteri che formano le cavità dei denti sono in realtà comunità di biofilm, che resistono ai nostri sforzi per eliminarli dai nostri denti. La natura resistiva e protettiva dei biofilm ha permesso a queste comunità di essere le prime forme di vita a lasciare l'oceano ea vivere sulla terraferma.
Molti anni fa, la biologa Lynn Margulis fondò il concetto che i mitocondri fossero organismi simili a batteri che invasero il citoplasma di cellule contenenti nucleo più avanzate chiamate eucarioti. All'inizio le sue idee furono ridicolizzate dall'establishment, ma nel corso degli anni è diventata una credenza ampiamente accettata. È interessante notare che la comprensione della natura comune dei batteri nei biofilm offre un'altra interpretazione.
La micrografia a sinistra illustra un esempio di biofilm in un polmone umano. Il ceppo batterico infettivo di pseudomonas è racchiuso in una matrice extracellulare di colorazione scura (vedi freccia) che comprende un biofilm. L'incapsulamento all'interno della matrice protegge i batteri dagli sforzi del sistema immunitario per distruggerli. La matrice, costituita principalmente da carboidrati, può contenere anche le proteine muscolari, actina e miosina, che si trovano legate alle superfici esterne di alcuni batteri. Le proteine dell'actina e della miosina esterne consentono ai batteri di muoversi all'interno della matrice del film.
La micrografia a destra è la stessa immagine, ma con una “membrana” disegnata intorno alla periferia del film. Una membrana attorno al film consentirebbe alla comunità batterica di controllare con precisione la composizione e il carattere del proprio ambiente, uno sviluppo necessario che ne migliorerebbe la sopravvivenza. Questo film modificato assomiglia all'anatomia citologica della cellula eucariotica evolutivamente più avanzata. In questo caso i batteri rappresenterebbero gli organelli della cellula e la matrice del film rappresenterebbe il citoplasma ricco di citoscheletro tra gli organelli. È interessante notare che il citoplasma degli eucarioti possiede molti degli stessi componenti strutturali che caratterizzano la matrice del biofilm. Ciò è particolarmente vero per l'actina e la miosina che consentono ai batteri di muoversi nel film nello stesso modo in cui si muovono gli organelli nel citoplasma.
Il punto di questa discussione è che la cellula eucariotica più avanzata, piuttosto che essere una singola entità evoluta, potrebbe rappresentare l'evoluzione di una comunità batterica. Una cellula rappresenterebbe una comunità finemente sintonizzata di procarioti che si sono differenziati in organelli. Tale ipotesi supporta le credenze dei biologi pleomorfi, un piccolo ma fedele gruppo di scienziati che credono che i microrganismi correlati alla malattia possano rappresentare forme di vita sorte, germogliate, da cellule morenti. Ha senso.
Indipendentemente da ciò, la seconda fase dell'evoluzione ha visto l'origine della cellula eucariotica (nucleata) più sofisticata. Tuttavia, l'evoluzione cessò quando la cellula nucleata raggiunse la sua dimensione specifica massima, poiché ci sono limitazioni fisiche imposte alla vita cellulare. Se la cellula tenta di espandere la sua superficie oltre una data dimensione, la cellula diventerà instabile, poiché se supera determinate dimensioni, la membrana non sarà fisicamente in grado di vincolare la massa del suo citoplasma. Ciò porterà alla rottura della membrana e alla perdita del potenziale di membrana (da cui la cellula trae la sua energia vitale). Inoltre, se la cellula supera un certo diametro, il processo di diffusione non consentirebbe all'ossigeno sufficiente per l'elaborazione metabolica di raggiungere la porzione centrale della cellula.
Di conseguenza, nella storia dell'evoluzione, i primi 3 miliardi di anni sono stati principalmente associati all'aspetto e all'evoluzione degli organismi unicellulari (batteri, alghe, protozoi). Fu l'origine degli organismi multicellulari che rappresentavano un modo alternativo per espandere la superficie della membrana (cioè il potenziale di consapevolezza) oltre i limiti della singola cellula. Di conseguenza, in quella che equivaleva a una terza fase dell'evoluzione, un aumento del potere biologico del "computer" (consapevolezza) derivava da uno stesso processo di organizzazione in comunità di ordine superiore. Piuttosto che aumentare la consapevolezza della singola cellula eucariotica, la terza fase dell'evoluzione riguardava l'ordinamento dei "chip" delle singole cellule eucariotiche in assemblaggi interattivi.
Questa "fase" dell'evoluzione assomiglia a quella che si è verificata nell'industria informatica. Texas Instruments ha sviluppato il chip. I singoli chip sono il cuore della semplice calcolatrice. Tuttavia, quando molti chip sono stati integrati e collegati insieme hanno fornito il computer. Quando i singoli computer hanno raggiunto la loro massima potenza, i supercomputer sono stati creati assemblando molti computer in una "comunità" di elaborazione parallela organizzata. La relazione del batterio con la cellula eucariotica è equivalente alla relazione del chip con il computer. Il rapporto della cellula eucariotica con l'organismo multicellulare è lo stesso del rapporto di un singolo computer con il tutto in una rete di elaborazione parallela.
Nei computer, la "potenza" della macchina è misurata in capacità di gestione BIT. Negli organismi biologici, il potenziale di "consapevolezza" si riflette nel numero e nella varietà dei complessi IMP integrati. Poiché la quantità di IMP è direttamente collegata alla "superficie", la consapevolezza diventa un fattore delle superfici di membrana condivise negli organismi multicellulari.
Considerate quella relazione tra superficie in relazione all'evoluzione del cervello dei vertebrati. I primi cervelli dei vertebrati sono piccole sfere lisce. Man mano che si sale la scala evolutiva, i cervelli diventano più grandi e una maggiore superficie è successivamente derivata da ripiegamenti della superficie del cervello che producono i caratteristici solchi (solchi) e gyri (pieghe) dei cervelli più avanzati. È interessante notare che, quando si considera la consapevolezza in termini di superficie cerebrale, gli esseri umani sono al secondo posto poiché i cervelli di focene e delfini hanno una superficie più ampia.
Si propone che, simili ai protozoi unicellulari, gli esseri umani rappresentino un altro endpoint evolutivo, il più alto livello di sviluppo per una struttura biologica multicellulare. In una serie di eventi ridondanti rispetto a quelli avvenuti nei due precedenti cicli evolutivi, l'evoluzione umana è proseguita attraverso un processo di assemblaggio e integrazione degli individui in una comunità multi-cellulare. In questa comunità conosciuta come umanità, il ruolo di ogni persona è analogo a quello di una singola cellula nella costruzione umana. Nella visione globale della Terra come organismo vivente (Gaia), gli esseri umani sono gli equivalenti IMP nella membrana superficiale della Terra. Gli esseri umani, come recettori ed effettori, si assemblano e si integrano in reti modellate (comunità) nell'involucro della Terra in cui ricevono "segnali" ambientali e fungono da meccanismi di commutazione delle porte di membrana del pianeta.
Questi studi rivelano che l'evoluzione passata e futura può essere modellata matematicamente nella struttura e nell'elaborazione della membrana cellulare. Il modo migliore per organizzare la superficie della membrana bidimensionale in uno spazio cellulare tridimensionale consiste nell'utilizzare la geometria frattale.
In Natura, la maggior parte delle strutture inorganiche e organiche esprimono uno schema “irregolare”. Tuttavia, all'interno dell'apparente caos delle irregolarità, si riscontra che le strutture irregolari si ripetono “regolarmente” (cioè mostrano una forma di ordine). Ad esempio, il modello di ramificazione nel ramoscello di un albero è spesso lo stesso modello di ramificazione che si osserva sul tronco dell'albero. Il modello di ramificazione di un fiume principale è identico al modello di ramificazione osservato lungo i suoi affluenti minori. Il pattern dei rami lungo il bronco è una reiterazione del pattern dei rami delle vie aeree lungo i bronchioli più piccoli. Immagini simili di modelli di ramificazione ripetuti nel corpo sono rivelate nei vasi sanguigni arteriosi e venosi e nel sistema nervoso periferico.
Il matematico francese Benoit Mandelbrot fu il primo a riconoscere che la geometria di molti oggetti della Natura rivelava uno schema simile indipendentemente dalla scala su cui veniva esaminato. Più ingrandisci l'immagine, più la struttura appare la stessa. Mandelbrot ha introdotto il termine "auto-similare" per descrivere tali oggetti. “Nel 1975, Mandelbrot ha coniato la parola frattale come una comoda etichetta per forme autosimili irregolari e frammentate.
La matematica dei frattali è sorprendentemente semplice in quanto consiste nel ripetere “operazioni” di addizioni e moltiplicazioni. Nel processo, il risultato di un'operazione viene utilizzato come input per l'operazione successiva; il risultato di tale operazione viene quindi utilizzato come input per l'operazione successiva e così via. Matematicamente, tutte le "operazioni" usano la stessa identica formula, tuttavia, devono essere ripetute milioni di volte per ottenere la soluzione. Il lavoro manuale e il tempo necessari per completare un'equazione frattale hanno impedito ai matematici di riconoscere il "potere" della geometria frattale fino a quando l'avvento di potenti computer ha permesso a Benoit Mandelbrot di definire questa nuova matematica.
Nella geometria classica i punti, le linee, le aree superficiali e le strutture cubiche rappresentano tutte dimensioni espresse in interi, rispettivamente 0, 1, 2 e 3 dimensioni. La geometria frattale viene impiegata per modellare immagini più "interdimensionali". Ad esempio, una linea curva è un oggetto unidimensionale. Nei frattali la curva può zigzagare così tanto che si avvicina effettivamente a riempire il piano. Se la curva della linea è relativamente semplice, è vicina a una dimensione di 1. Se le curve della linea sono così fitte da riempire lo spazio, la linea si avvicina alle 1 dimensioni. Fractal Geometry riempie gli spazi tra le dimensioni dei numeri interi.
Una caratteristica strutturale dei frattali è relativamente semplice da capire: i frattali mostrano uno schema reiterato di "strutture" annidate l'una nell'altra. Ogni struttura più piccola è una miniatura, ma non necessariamente una versione esatta della forma più grande. La matematica frattale enfatizza la relazione tra i modelli visti nel tutto e i modelli visti nelle parti di quel tutto. Ad esempio, il motivo dei ramoscelli su un ramo ricorda il motivo degli arti che si diramano dal tronco. Gli oggetti frattali possono essere rappresentati da una "scatola" all'interno di una "scatola", all'interno di una "scatola", all'interno di una "scatola", ecc. Se si conoscono i parametri della prima "scatola", viene automaticamente fornita la pattern che caratterizza tutte le altre “scatole” (più o meno grandi).
Come descritto nell'articolo Mathematics of Human Life di W. Allman (citato nella sezione di riferimento), "Gli studi matematici sui frattali rivelano che la struttura ramificata all'interno di un frattale rappresenta il modo migliore per ottenere la massima superficie entro tre spazio dimensionale…” Mentre la membrana cellulare è in realtà un oggetto tridimensionale, il suo doppio strato molecolare possiede uno spessore costante e uniforme. Pertanto, lo spessore della membrana può essere ignorato e la membrana può essere modellata come una struttura "superficiale" bidimensionale. Poiché l'evoluzione è la modellazione della consapevolezza della membrana (relativa alla sua superficie), l'efficienza della modellazione fornita dalla geometria frattale molto probabilmente rifletterebbe quella scelta dalla Natura.
Il punto è non farsi prendere dalla matematica della modellazione. Il punto è che il modello frattale prevede che l'evoluzione sarà basata su un modello reiterato di "strutture" annidate l'una nell'altra! Più specificamente, poiché si riferisce a un concetto di Evoluzione Frattale, "il modello del tutto è visto nelle parti del tutto", questo significa che il modello dell'umano è visto nelle parti (cellule) dell'umano. Se si è consapevoli del modello in base al quale una cellula è organizzata funzionalmente, si ha anche la possibilità di comprendere l'organizzazione di un essere umano. Considera questo: le immagini frattali di strutture più piccole sono miniature dell'insieme più grande. Pertanto, mentre la struttura degli umani è un'immagine auto-similare delle proprie cellule, la struttura della civiltà umana rappresenterebbe una struttura auto-similare dei suoi componenti umani!
Gli esseri umani sono un'immagine frattale della società, le cellule sono un'immagine frattale dell'essere umano. In effetti, anche le cellule sono un'immagine frattale della società. La natura frattale dell'evoluzione è ulteriormente implicata dai modelli ripetuti e identici osservati in ciascuno dei tre cicli dell'evoluzione.