אבולוציה על ידי ביטים וחתיכות: מבוא להתפתחות פרקטלית
גבול הממברנה העוטף כל תא ביולוגי מהווה את הבסיס המבני של מערכת מעבדים ביולוגית (ראה מאמר: תודעה סלולרית). כמעבד, קולטני הממברנה של התא סורקים את הסביבה לאיתור אותות. ברור שהסביבה שטופת אותות. אם כל האותות נשמעים, הסביבה הייתה נשמעת כמו רעש בוער. עם זאת, הספציפיות של הקליטה האופיינית לכל IMP קולטן, מאפשרת לו להבחין בין האות המשלים שלו לבין כל רעשי הסביבה המעורבבים. יכולתו של התא לסנן באופן סלקטיבי מידע שימושי מתוך רעש "כאוטי" דומה לפונקציה של טרנספורמציות פורייה [תהליכי סינון מתמטיים המוצאים אותות בתוך מה שנראה כרעש] על כניסות מורכבות כדי לתפוס תדרים ספציפיים כאותות מידע. בעוד שהסביבה היא במובן מסוים "כאוטית", עם מאות ואלפי "אותות" המתבטאים בו זמנית, התא יכול לקרוא באופן סלקטיבי רק את האותות הרלוונטיים לקיומו.
בהתבסס על התכונות הפונקציונליות והמבניות של קרום התא, כל תא בודד (למשל אמבה) מייצג a מערכת מיקרו-מחשבים המופעלת על ידי עצמה. כמו במחשבים דיגיטליים, הכוח או יכולת הטיפול במידע של המחשב "הסלולרי" נקבעת על פי מספר ה- BIT שהוא יכול לנהל. במחשבים ה- BIT הם מתחמי שער / ערוץ, במעבד הממברנה ה- BIT מיוצגים על ידי קומפלקסים קולטן / אפקטורים. מולקולות ה- IMP הכוללות את ה- BIT של התא הגדירו פרמטרים פיזיקליים ולכן ניתן "למדוד" אותן.
הממד של חלבוני ה- IMP זהה בערך לעובי הקרום. מכיוון שה- IMP, בהגדרתו, שוכנים בתוך שכבת הדו-ממדית של הקרום, ניתן לארגן את החלבונים רק כשכבה חד-שכבתית (כלומר, ה- IMPs אינם יכולים להיות מוערמים זה על זה). כדי להשתמש במטאפורה של כריך הלחם והחמאה והזית, יש רק כל כך הרבה זיתים שניתן לרובד על הלחם. כדי שיהיו יותר זיתים בכריך דורש שימוש בפרוסת לחם גדולה יותר. הדבר תקף גם להגדלת מספר יחידות התפיסה- IMP בקרום: ככל שיותר IMP- כך שטח הפנים של הקרום נדרש להחזיק אותן. יכולת עיבוד המידע של התא (המשתקפת במספר חלבוני התפיסה) קשורה ישירות לשטח הפנים של הממברנה.
הנקודה העמוקה בשיח זה ... מודעות ביולוגית היא מאפיין מדיד, והיא בקורלציה ישירה עם שטח הפנים של קרום התא. כתוצאה מכך כוח המחשוב של תא נקבע פיזית על ידי מגבלות המוטלות על ממדים תאיים.
אל האני השלב הראשון של האבולוציה החיים דאגו לפיתוח ועידון של 'שבב' המחשב הביולוגי האישי, החיידק הפרימיטיבי. גודלם של אורגניזמים פרימיטיביים אלה מוגבל על ידי העובדה שיש להם שלד חיצוני נוקשה, שמקורו בפוליסכרידים של הגליקוקליקס. המטריצה המיוצרת על ידי קישור צולב של מולקולות הסוכר ב"מעיל "זה מספקת את" השלד "המגן של התא, הנקרא כמוסה. הקפסולה תומכת ומגנה פיזית על הקרום הדק של התא מפני קרע תחת זני הלחץ האוסמוטי.
לחץ אוסמוטי הוא הכוח שנוצר על ידי הרצון של מים לעבור דרך קרום כדי "לאזן" את ריכוז החלקיקים בכל צד של מחסום הממברנה. הציטופלזמה של התא עמוסה בחלקיקים בהשוואה למים בהם חיים תאים. מים מהסביבה החיצונית יעברו דרך הממברנה כדי לדלל את ריכוז החלקיקים הציטופלזמיים. התא יתנפח עם מים והלחץ יביא לקרע הדו-שכבתי הממברנה העדין ולהמית את התא. השלד החיצוני של גליקוקליקס מתנגד ללחץ אוסמוטי מסכן חיים.
חיידקים הם המקבילה התאית לחסרי חוליות, (בעלי חיים שאינם בעלי שלד תומך פנימי (למשל צדפות, חרקים, דגי ג'לי). בעוד השלד מגן על החיידק, אופיו הנוקשה גם מגביל אותו. גודל תא החיידק מוגבל על ידי החיצוני שלו. כמוסה. מגבלת הגודל מגבילה את כמות הממברנה שהתא יכול להחזיק. שטח הפנים של הממברנה הוא פרופורציונאלי למודעות, בהתבסס על מספר מכשירי ה- IMP שהוא יכול להכיל. כמוסת החיידקים מגבילה את התפתחות התא מכיוון שיש מכסה על מספר היחידות של תפיסה שהקרום יכול להכיל.
למעשה, רוב שטח הפנים של קרום החיידק משמש לאכסון מתחמי ה- IMP הדרושים הנדרשים להישרדות התאים. עם זאת, כל חיידק מסוגל ללמוד על שישה "אותות" סביבתיים נוספים. לדוגמא, חיידק עשוי לרכוש את היכולת להתנגד לאנטיביוטיקה שהוכנסה לסביבה. הוא עושה זאת על ידי יצירת קולטן פני השטח שקושר ומעכב את מולקולות האנטיביוטיקה. הקולטן החדש הוא ביסודו המקביל לחלבון "נוגדן" שיוצרים תאי החיסון שלנו כדי לנטרל אנטיגן פולשני.
יצירת קולטן חדש, מעצם הגדרתו, מרמזת כי חייב להיות גן חדש שנוצר לזכור את קוד חומצת האמינו של אותו חלבון. אצל חיידקים אלה "חדשים" זיכרון גנים קיימים כמעגלים זעירים של DNA הנקראים פלסמידים. הפלסמידים אינם קשורים פיזית לכרומוזום המספק תורשה וצפים בחופשיות בציטופלזמה. חיידקים מסוגלים ליצור כשישה בממוצע אחר פלסמידים, כל אחד מהם נגזר מ"חוויה "למידה ייחודית. המגבלה על מספר הפלסמידים שיש לתא אינה נובעת מחוסר יכולת ליצור DNA. שכן החיידק יכול ליצור אלפי עותקים מכל פלסמידים בודדים שיש לו. המגבלות חייבות להיות קשורות לעובדה שכל מתחם תפיסת חלבון "חדש" דורש יחידת שטח פנים כדי לבטא את תפקידיו. חוסר היכולת להרחיב את הקרום שלו (כלומר שטח הפנים) מגביל את יכולתו של החיידק לרכוש תפיסות חדשות (מודעות).
ככל שיותר מודעות כך יכולת ההישרדות גדולה יותר. מגבלות על אנשים שהגבירו את המודעות שלהם, הובילו לחיידקים החיים בקהילות סרוגות באופן רופף. אם חיידק בודד יכול "ללמוד" שש עובדות על הסביבה, יותר ממאה חיידקים מסוגלים להיות מודעים ל -600 עובדות באופן קולקטיבי. חיידקים פיתחו מנגנונים להעברת עותקים של הפלסמידים שלהם לחיידקים אחרים בקהילה. על ידי העברת עותקים של ה- DNA "המלומד" שלהם, הם חולקים את "המודעות" שלהם עם הקהילה. חיידקים יכולים להעביר פלסמיד לאדם אחר. החיידק המקבל יכול להשתמש ב"מודעות "של הפלסמיד שנתרם במהלך חייו, אך בדרך כלל אינו יכול להעביר עותקים של הפלסמיד לצאצאי תאי בתו.
לחיידקים יש תחזיות דומות של זרועות המשתרעות מעל פני השטח החיצוניים שלה הנקראות פילי. כאשר הפיליה משני חיידקים נוגעת, ממברנות הפילוס יכולות להתמזג לרגע, ולהצטרף לציטופלזמה של שני התאים יחד. ברגע האיחוי, שני החיידקים יכולים להחליף עותקים של הפלסמידים שלהם. חיידקים מסוגלים גם לחרוך DNA צף חופשי בסביבה, ולכן פלסמידים המשתחררים לסביבה, כפי שעלולים להתרחש כאשר תא מת והציטופלזמה שלו דולפת החוצה, עשויים להיגרם על ידי תאים אחרים. עם זאת, הסביבה קשוחה בדנ"א צף חופשי והפלסמידים נשברים בקלות. אמצעי שלישי ויעיל יותר להפצת פלסמידים "למודעות" נוצר כאשר חיידקים למדו כיצד לארוז את ה- DNA הפלסמיד שלהם בקליפות חלבון מגנות, ויצרו נגיפים. נגיפים מכילים "מידע" המשתחרר לתאים בודדים אחרים בסביבה. יש וירוסים שהורגים את התאים שקולטים אותם, ואילו נגיפים אחרים מגנים על התאים שהם "מדביקים". לפעמים "מידע" הוא אישוש חיים, לפעמים זה קטלני.
קהילות חיידקים פיתחו אמצעי להגדיל את הישרדותן על ידי פריסת מטריצה חוץ-תאית רב-סוכרית כדי לעטוף את כל התאים בקהילה ו"להגן "עליהם מפני פגעי הסביבה הפראית. חיידקים בודדים הצליחו לנוע בערוצים "מושקים" בתוך המטריצה. הערוצים אפשרו גם תקשורת של חומרים חוץ-תאיים ומולקולות מידע, אשר סיפקו שילוב קהילתי בין כל חברי הקהילה. קהילת הסלולר עשויה להיות מאוכלסת במגוון מיני חיידקים. לדוגמא, צורות אנאירוביות חוששות חמצן יכולות לחיות בתחתית הקהילה, בעוד שחיידקים אירוביים אוהבי חמצן נמצאים ברמות העליונות של אותה קהילה. חיידקים בקהילה מסוגלים להחליף את ה- DNA שלהם ובכך מאפשרים לאזרחי הסלולר לרכוש פונקציות מיוחדות ומובחנות.
קהילות חיידקים אפופות מטריקס אלה נקראות ביו פילמים (ראה איור למטה). ביופילמים הפכו לחשובים מאוד מכיוון שהם מוכרים כיום כמגנים על קהילות חיידקים מפני אנטיביוטיקה. החיידקים היוצרים חללי שיניים הם למעשה קהילות ביו-פילם, המתנגדות למאמצינו לסרוק אותם משינינו. אופי ההתנגדות והמגן של הסרטים הביולוגיים אפשר לקהילות אלה להיות צורות החיים הראשונות לעזוב את האוקיאנוס ולחיות על היבשה.
לפני שנים רבות, הביולוגית לין מרגוליס ייסדה את התפיסה כי המיטוכונדריה היו אורגניזמים דמויי חיידקים שפלשו לציטופלזמה של תאים המכילים גרעין מתקדמים יותר הנקראים אוקריוטים. בתחילה לעגו לממסד על רעיונותיה, אך עם השנים זה הפך לאמונה מקובלת. מעניין שהבנת הטבע הקהילתי של חיידקים בביו-פילם מציעה פרשנות נוספת.
המיקרוגרף משמאל ממחיש דוגמה לביו-פילם בריאה אנושית. גוש החיידקים המדבק הזיהומי עטוף במטריצה כהה מכתים כהה (ראה חץ) הכוללת ביו פילם. כימוס בתוך המטריצה מגן על החיידקים מפני מאמציה של מערכת החיסון להשמיד אותם. המטריצה, העשויה בעיקר מפחמימות, יכולה להכיל גם את חלבוני השריר, אקטין ומיוזין, הנמצאים קשורים למשטחים החיצוניים של חיידקים מסוימים. החלבונים אקטין וחיצוני מיוזין מאפשרים לחיידקים לנוע בתוך מטריצת הסרט.
המיקרוגרף מימין הוא אותה תמונה, אך עם "קרום" הנמשך סביב פריפריה של הסרט. קרום סביב הסרט יאפשר לקהילת החיידקים לשלוט היטב בהרכב ובאופי הסביבה שלהם, התפתחות הכרחית שתעצים את הישרדותם. סרט שונה זה דומה לאנטומיה הציטולוגית של התא האוקריוטי המתקדם יותר מבחינה אבולוציונית. במקרה זה החיידקים מייצגים את האברונים של התא והמטריקס של הסרט מייצג את הציטופלזמה העשירה בצד השלד בין האברונים. מעניין לציטופלסמה האיקריוטית יש הרבה מאותם מרכיבים מבניים המאפיינים את המטריצה של הביופילם. זה נכון במיוחד לגבי האקטין והמיוזין המאפשרים לחיידקים לנוע בסרט באותו אופן שבו אברונים נעים בציטופלזמה.
העניין של דיון זה הוא שהתא האוקריוטי המתקדם יותר, במקום שהוא ישות אחת מפותחת, עשוי לייצג את התפתחותה של קהילת חיידקים. תא ייצג קהילה מכווננת של פרוקריוטים שהתבדלה לאברונים. השערה כזו תומכת באמונותיהם של ביולוגים פלומורפיים, קבוצה קטנה אך איתנה של מדענים המאמינים כי מיקרואורגניזמים הקשורים למחלות עשויים לייצג צורות חיים שנוצרו, מנותקות, מתאים גוססים. הגיוני.
בלי קשר, השלב השני של האבולוציה ראה את מקור התא האוקריוטי (הגרעיני) המתוחכם יותר. עם זאת, האבולוציה נפסקה כאשר התא הגרעיני הגיע לגודלו הספציפי המרבי, שכן יש מגבלות פיזיות המוטלות על חיי הסלולר. אם התא ינסה להרחיב את שטח הפנים שלו מעבר לגודל נתון, התא יהפוך לא יציב, שכן אם הוא יעלה על ממדים מסוימים, הממברנה לא תוכל להגביל פיזית את מסת הציטופלזמה שלו. זה יוביל לקרע בקרום ולאובדן פוטנציאל הממברנה (שממנו שואב התא את אנרגיית החיים שלו). כמו כן, אם התא עולה על קוטר מסוים, מאשר תהליך הדיפוזיה לא יאפשר מספיק חמצן לעיבוד מטבולי להגיע לחלק המרכזי של התא.
כתוצאה מכך, בהיסטוריה של האבולוציה, שלוש מיליארד השנים הראשונות נקשרו בעיקר לאורגניזמים חד תאיים למראה ולהתפתחות (חיידקים, אצות, פרוטוזואנים). זה היה מקורם של אורגניזמים רב-תאיים שייצגו דרך חלופית להרחיב את שטח פני הממברנה (כלומר פוטנציאל המודעות) מעבר למגבלות התא היחיד. כתוצאה מכך, במה שהגיע לשלב השלישי של האבולוציה, עלייה בכוח "המחשב" הביולוגי (המודעות) נבעה מאותו תהליך התארגנות בקהילות מסדר גבוה. במקום להגביר את המודעות לתא האוקריוטי האינדיבידואלי, השלב השלישי של האבולוציה עסק בסידור 'שבבי' תא איקריוטיים בודדים למכלולים אינטראקטיביים.
ה"שלב "הזה של האבולוציה דומה לזה שהתרחש בתעשיית המחשבים. טקסס אינסטרומנטס פיתחה את השבב. שבבים בודדים הם לב ליבו של המחשבון הפשוט. עם זאת, כאשר שבבים רבים שולבו וחיווטו יחד הם סיפקו למחשב. כאשר מחשבים בודדים הגיעו לכוח המרבי שלהם, מחשבי העל נוצרו על ידי הרכבת מחשבים רבים ל"קהילה "מסודרת לעיבוד מקביל. יחסו של החיידק לתא האוקריוטי הוא שווי יחסו של השבב למחשב. יחסו של התא האוקריוטי לאורגניזם הרב-תאי זהה ליחס של מחשב בודד לכלל ברשת לעיבוד מקביל.
במחשבים, "כוח" המכונה נמדד ביכולות הטיפול ב- BIT. באורגניזמים ביולוגיים פוטנציאל ה"מודעות "בא לידי ביטוי במספר ובמגוון מתחמי ה- IMP המשולבים. מכיוון שכמות ה- IMP קשורה ישירות ל"שטח הפנים ", המודעות הופכת לגורם של משטחי קרום משותפים באורגניזמים הרב-תאיים.
קחו את הקשר בין שטח הפנים בכל הקשור להתפתחות מוחית של חוליות. מוח ראשוני חוליות הם כדורים קטנים וחלקים. כאשר עולים בסולם האבולוציוני, המוח נהיה גדול יותר ושטח פני השטח יותר נגזר לאחר מכן מזרמים על פני המוח המייצרים סולסי (חריצים) ואופי (קפלים) אופייניים של מוח מתקדם יותר. מעניין שכאשר שוקלים מודעות במונחים של שטח המוח, בני האדם נמצאים במקום השני שכן למוח הדולפין והדולפין יש שטח פנים גדול יותר.
מוצע כי בדומה לפרוטואוזים חד תאיים, בני האדם מייצגים נקודת סיום אבולוציונית נוספת, רמת ההתפתחות הגבוהה ביותר עבור מבנה ביולוגי רב תאי. בסדרה של אירועים מיותרים לאלה שהתרחשו בשני מחזורי האבולוציה הקודמים, האבולוציה האנושית המשיכה בתהליך של הרכבה ושילוב של אנשים בקהילה רב "סלולרית". בקהילה זו המכונה אנושיות, תפקידו של כל אדם מקביל לתפקיד של תא בודד במבנה האנושי. בראייה הגלובלית של כדור הארץ כאורגניזם חי (גאיה), בני האדם הם המקבילים IMP בקרום פני האדמה. בני אדם, כקולטנים ואפקטורים, מתאספים ומשתלבים ברשתות מעוצבות (קהילה) במעטפת כדור הארץ בה הם מקבלים "אותות" סביבתיים ומשמשים כמנגנוני החלפה של שערי הממברנה של כדור הארץ.
מחקרים אלו מגלים כי ניתן לדגם מתמטית את האבולוציה בעבר ובעתיד במבנה קרום התא ובפיתוחו. הדרך הטובה ביותר לארגן שטח פני קרום דו ממדי לחלל תאים תלת מימדי היא להשתמש בגיאומטריה פרקטלית.
בטבע, רוב המבנים האורגניים והאורגניים מבטאים דפוס "לא סדיר". עם זאת, בתוך התוהו ובוהו של אי-הסדירות, מגלים כי המבנים הלא-סדירים חוזרים "באופן קבוע" (כלומר, הם מראים סוג של סדר). לדוגמא, דפוס ההסתעפות בענף עץ הוא לרוב אותו דפוס הסתעפות שנצפה על גזע העץ. דפוס ההסתעפות של נהר עיקרי זהה לדפוס ההסתעפות שנצפה לאורך יובליו הקטנים יותר. דפוס הענפים לאורך הסימפונות הוא חזרה על דפוס הענפים של דרכי הנשימה לאורך הסמפונות הקטנות ביותר. תמונות דומות של דפוסי הסתעפות חוזרים ונשנים בגוף מתגלות בכלי הדם העורקיים והורידים ובמערכת העצבים ההיקפית.
המתמטיקאי הצרפתי, בנואה מנדלברוט, היה הראשון שזיהה כי הגיאומטריה של רבים מחפצי הטבע חשפה דפוס דומה ללא קשר לסולם בו נבחנה. ככל שמגדילים את התמונה כך המבנה נראה זהה יותר. מנדלברוט הציג את המונח "דומה לעצמי" לתיאור אובייקטים כאלה. "בשנת 1975 טבע מנדלברוט את המילה פרקטל כתווית נוחה לצורות לא סדירות ומפוצלות דומות לעצמן.
המתמטיקה של פרקטלים פשוטה להפליא בכך שהיא מורכבת מחזרה על "פעולות" של תוספות וכפל. בתהליך, התוצאה של פעולה אחת משמשת כקלט לפעולה שלאחר מכן; לאחר מכן התוצאה של פעולה זו משמשת כקלט לפעולה הבאה, וכן הלאה. מתמטית, כל ה"פעולות "משתמשות באותה נוסחה בדיוק, אולם יש לחזור עליהן מיליוני פעמים כדי לקבל את הפתרון. העבודה הידנית והזמן הנדרש להשלמת משוואה פרקטלית מנעו ממתמטיקאים להכיר ב"עוצמתה "של גיאומטריה פרקטלית עד להופעתם של מחשבים רבי עוצמה אפשרו לבנואה מנדלברוט להגדיר את המתמטיקה החדשה הזו.
בגיאומטריה הקלאסית הנקודות, הקווים, שטחי השטח והמבנים המעוקבים מייצגים כולם מימדים המתבטאים במספרים שלמים שלמים, 0-, 1-, 2- ו -3-ממדים בהתאמה. גיאומטריה פרקטלית משמשת למודל תמונות "יותר ממדיות". למשל קו מעוגל הוא אובייקט חד מימדי. בפרקטלים העקומה יכולה לזגזג עד כדי כך שהיא מתקרבת למילוי המטוס. אם עקומת הקו פשוטה יחסית היא קרובה למימד של 1. אם קימורי הקו ארוזים כל כך בחוזקה שהם ממלאים את החלל, הקו מתקרב לממדים 1. גיאומטריה פרקטלית ממלאת את הרווחים שבין ממדי המספרים השלמים.
מאפיין מבני של פרקטלים הוא פשוט יחסית להבנה: פרקטלים מציגים דפוס חוזר של "מבנים" המקוננים זה בזה. כל מבנה קטן יותר הוא גרסה מיניאטורית, אך לאו דווקא גרסה מדויקת של הצורה הגדולה יותר. מתמטיקה פרקטלית מדגישה את הקשר בין הדפוסים הנראים בכלל לבין הדפוסים הנראים בחלקים מאותו שלם. לדוגמא, דפוס הזרדים על ענף דומה לתבנית הגפיים המסתעפות מהגזע. ניתן לייצג אובייקטים פרקטליים על ידי "תיבה" בתוך "תיבה", בתוך "תיבה", בתוך "תיבה" וכו '. אם יודעים את הפרמטרים של "התיבה" הראשונה, מסופק באופן אוטומטי הבסיסי דפוס המאפיין את כל ה"תיבות "האחרות (גדולות או קטנות יותר).
כמתואר במאמר המתמטיקה של חיי האדם מאת וו. אלמן (שצוטט בסעיף הפניה), "מחקרים מתמטיים על פרקטלים מגלים כי המבנה המסתעף בתוך הפרקטל מייצג את הדרך הטובה ביותר להשיג את שטח הפנים הגדול ביותר בתוך שלוש. מרחב ממדי ... " בעוד שקרום התא הוא למעשה אובייקט תלת מימדי, הרי שכבת הדו-שכבה המולקולרית שלו היא בעלת עובי קבוע ואחיד. ככזה ניתן להתעלם מעובי הקרום וניתן לעצב את הממברנה כמבנה "שטח פנים" דו ממדי. מכיוון שהאבולוציה היא הדוגמנות של המודעות של הממברנה (הקשורה לשטח הפנים שלה), ככל הנראה יעילות הדוגמנות שמספקת הגיאומטריה הפרקטלית תשקף את זו שבחר הטבע.
העניין הוא לא להיתפס למתמטיקה של הדוגמנות. העניין הוא שהמודל הפרקטלי צופה שהאבולוציה תתבסס על דפוס חוזר של "מבנים המקוננים זה בזה! באופן ספציפי יותר, כאשר הוא מתייחס למושג התפתחות שברירית, "דפוס השלם נראה בחלקי השלם", פירוש הדבר כי דפוס האדם נראה בחלקים (תאים) של האדם. אם מודעים לדפוס שלפיו תא מאורגן באופן פונקציונלי, מאשר ניתנת גם תובנה לארגונו של אדם. שקול זאת: תמונות הפרקטל של מבנים קטנים יותר הן מיניאטורות של השלם הגדול יותר. לכן, בעוד שמבנה בני האדם הוא דימוי עצמי של תאי עצמם, מבנה הציוויליזציה האנושית ייצג מבנה דומה לעצמו של בני האדם המרכיבים אותו!
בני אדם הם דימוי פרקטלי של החברה, תאים הם דימוי פרקטאלי של האדם. למעשה, תאים הם דימוי פרקטלי גם של החברה. האופי הפרקטלי של האבולוציה נרמז עוד יותר על ידי הדפוסים החוזרים על עצמם שנצפו בכל אחד משלושת מחזורי האבולוציה.