ビットとピースによる進化:フラクタル進化の紹介
各生物学的細胞を包む膜境界は、生物学的プロセッサーシステムの構造的基盤を構成します(記事:細胞意識を参照)。 プロセッサーとして、細胞の膜受容体は信号のために環境をスキャンします。 明らかに、環境は信号で溢れています。 すべての信号が聞こえる場合、環境は激しいノイズのように聞こえます。 ただし、各受容体IMPに特徴的な受信の特異性により、受容体IMPは、ごちゃ混ぜになっているすべての周囲ノイズからその相補信号を区別できます。 「カオス」ノイズから有用な情報を選択的にフィルタリングするセルの機能は、特定の周波数を情報信号として認識するための複雑な入力でのフーリエ変換[ノイズのように見える信号を見つける数学的なフィルタリングプロセス]の機能に似ています。 環境はある意味「混沌とした」ものであり、同時に何百、何千もの「信号」が発現しますが、細胞はその存在に関連する信号のみを選択的に読み取ることができます。
細胞膜の機能的および構造的特徴に基づいて、各単一細胞(例えば、アメーバ)は セルフパワーマイクロコンピュータシステム。 デジタルコンピュータと同様に、「セルラー」コンピュータの電力または情報処理能力は、管理できるBITの数によって決まります。 コンピューターでは、BITはゲート/チャネル複合体であり、膜プロセッサーでは、BITは受容体/エフェクター複合体で表されます。 セルのBITを構成するIMP分子には、定義された物理パラメータがあるため、「測定」できます。
IMPタンパク質の寸法は、膜の厚さとほぼ同じです。 IMPは、定義上、膜の二重層内に存在するため、タンパク質は単層としてのみ配置できます(つまり、IMPを互いに積み重ねることはできません)。 パンとバターとオリーブサンドイッチの比喩を使用するには、パンに重ねることができるオリーブは非常に多くあります。 サンドイッチにもっとオリーブを入れるには、より大きなパンのスライスを使用する必要があります。 同じことが知覚の数の増加にも当てはまります-膜内のIMPユニット:IMPが多いほど、それらを保持するために必要な膜の表面積が大きくなります。 細胞の情報処理能力(知覚タンパク質の数に反映される)は、膜の表面積に直接関連しています。
この談話の深遠なポイント…生物学的認識は測定可能な特性であり、 直接相関 細胞膜の表面積で。 その結果、セルの計算能力は、セルの寸法に課せられた制限によって物理的に決定されます。
進化の第一段階 生命の生命は、原始細菌である個々の生物学的コンピューター「チップ」の開発と改良に関係していました。 これらの原始生物のサイズは、糖衣の多糖類に由来する堅い外骨格を持っているという事実によって制約されています。 この「コート」内の糖分子の架橋によって生成されたマトリックスは、カプセルと呼ばれる細胞の保護「骨格」を提供します。 カプセルは、浸透圧のひずみ下で細胞の薄膜が破裂するのを物理的にサポートし、保護します。
浸透圧は、膜バリアの両側の粒子の濃度を「バランス」させるために膜を通って移動する水の欲求によって生成される力です。 細胞の細胞質は、細胞が住んでいる水と比較して粒子でいっぱいです。 外部環境からの水は膜を通過して、細胞質粒子の濃度を希釈します。 細胞は水で膨潤し、圧力によって繊細な膜二重層が破裂し、細胞が死滅します。 糖衣の外骨格は、生命を脅かす浸透圧に抵抗します。
バクテリアは無脊椎動物と同等の細胞です(内部の支持骨格を持たない動物(アサリ、昆虫、クラゲなど)。骨格は細菌を保護しますが、その堅い性質も細菌を制限します。細菌の細胞サイズはその外側によって制限されます。カプセル。サイズ制限により、細胞が持つことができる膜の量が制限されます。膜の表面積は、収容できるIMPの数に基づいて、認識に比例します。細菌のカプセルは、ユニット数に上限があるため、細胞の進化を制限します。膜が含むことができる知覚の。
実際、細菌の膜表面積のほとんどは、細胞の生存に必要なIMP複合体を収容するために使用されます。 ただし、各細菌は、XNUMXつの追加の環境「信号」について学習することもできます。 例えば、細菌は、環境に導入された抗生物質に抵抗する能力を獲得する可能性があります。 これは、抗生物質の分子に結合して阻害する表面受容体を作成することによって行われます。 新しい受容体は、基本的に、免疫細胞が侵襲性抗原を中和するために作成するタンパク質「抗体」と同等です。
新しい受容体の作成は、定義上、そのタンパク質のアミノ酸コードを記憶するために作成された新しい遺伝子がなければならないことを意味します。 バクテリアでは、これらの「新しい」 メモリ 遺伝子は、プラスミドと呼ばれるDNAの小さな円として存在します。 プラスミドは細胞の遺伝を提供する染色体に物理的に付着しておらず、細胞質内を自由に浮遊します。 バクテリアは平均して約XNUMX個を作り出すことができます 異なります それぞれが独自の学習「経験」に由来するプラスミド。 細胞が持つプラスミドの数の制限は、DNAを作ることができないことによるものではありません。 バクテリアはそれが持っている個々のプラスミドの何千ものコピーを作ることができるからです。 制限は、各「新しい」タンパク質知覚複合体がその機能を表現するために表面積の単位を必要とするという事実に関連している必要があります。 その膜(すなわち、表面積)を拡張することができないことは、新しい知覚(認識)を獲得する細菌の能力を制限します。
意識が高ければ高いほど、生き残る能力が高まります。 個人の意識を高めることへの制限は、ゆるく編まれたコミュニティに住むバクテリアにつながりました。 個々のバクテリアが環境について600つの事実を「学ぶ」ことができれば、XNUMXのバクテリアが集合的にXNUMXの事実を認識することができます。 バクテリアは、プラスミドのコピーをコミュニティ内の他のバクテリアに転送するメカニズムを開発しました。 「学習した」DNAのコピーを転送することで、コミュニティと「認識」を共有します。 バクテリアはプラスミドを別の個体に移すことができます。 レシピエントの細菌は、提供されたプラスミドの「認識」をその生涯にわたって使用できますが、通常、プラスミドのコピーをその娘細胞の子孫に渡すことはできません。
バクテリアは、線毛と呼ばれる外面から伸びる触手のような微細な突起を持っています。 XNUMXつの細菌の線毛が接触すると、線毛の膜が瞬間的に融合し、XNUMXつの細胞の細胞質が結合します。 融合の瞬間に、XNUMXつの細菌はそれらのプラスミドのコピーを交換することができます。 バクテリアは環境中の浮遊DNAをスカーフアップすることもできるので、細胞が死んで細胞質が漏れたときに発生する可能性があるように、環境に放出されたプラスミドは他の細胞によって除去される可能性があります。 しかし、浮遊するDNAの環境は厳しく、プラスミドは簡単に分解されます。 「認識」プラスミドを配布する第XNUMXのより効果的な手段は、バクテリアがプラスミドDNAを保護タンパク質シェルにパッケージ化してウイルスを作成する方法を学んだときに生まれました。 ウイルスには、環境内の他の個々の細胞に放出される「情報」が含まれています。 一部のウイルスはそれらを拾う細胞を殺しますが、他のウイルスはそれらが「感染する」細胞を保護します。 「情報」が人生を肯定することもあれば、致命的なこともあります。
細菌群集は、多糖細胞外マトリックスを展開して群集内のすべての細胞を包み込み、野生環境の破壊からそれらを「保護」することにより、生存率を高める手段を進化させました。 個々のバクテリアは、マトリックス内の「灌漑された」チャネルを通って移動することができました。 チャネルはまた、細胞外材料と情報分子の通信を可能にし、コミュニティのすべてのメンバー間の共同統合を提供しました。 細胞群集には、さまざまな細菌種が生息している可能性があります。 たとえば、酸素を恐れる嫌気性細菌はコミュニティの最下部に生息する可能性がありますが、酸素を好む好気性細菌は同じコミュニティの上位レベルに存在します。 コミュニティ内のバクテリアはDNAを容易に交換することができ、そうすることで細胞市民は特殊で差別化された機能を獲得することができます。
これらのマトリックスに包まれた細菌群集は、バイオフィルムと呼ばれます(下の図を参照)。 バイオフィルムは、抗生物質から細菌群集を保護することが現在認識されているため、非常に重要になっています。 虫歯を形成するバクテリアは、実際にはバイオフィルムのコミュニティであり、歯からそれらを洗い流す努力に抵抗します。 バイオフィルムの抵抗性と保護性により、これらのコミュニティは、海を離れて陸に住む最初の生命体になることができました。
何年も前に、生物学者のリン・マーギュリスは、ミトコンドリアが真核生物と呼ばれるより高度な核を含む細胞の細胞質に侵入する細菌のような生物であるという概念を確立しました。 当初、彼女のアイデアは設立によって嘲笑されましたが、年月を経て、広く受け入れられるようになりました。 興味深いことに、バイオフィルム中の細菌の共同性の理解は別の解釈を提供します。
左の顕微鏡写真は、人間の肺のバイオフィルムの例を示しています。 感染性シュードモナス細菌の塊は、バイオフィルムを含む暗色の染色細胞外マトリックス(矢印を参照)に包まれています。 マトリックス内のカプセル化は、細菌を破壊する免疫系の努力から細菌を保護します。 主に炭水化物でできているマトリックスには、一部の細菌の外表面に結合していることがわかっている筋肉タンパク質、アクチン、ミオシンも含まれている可能性があります。 外部のアクチンおよびミオシンタンパク質は、バクテリアがフィルムのマトリックス内を移動することを可能にします。
右の顕微鏡写真は同じ写真ですが、フィルムの周囲に「膜」が描かれています。 フィルムの周りの膜は、細菌群集が彼らの環境の組成と特徴を細かく制御することを可能にし、彼らの生存を高めるのに必要な開発です。 この修正されたフィルムは、進化的に進んだ真核細胞の細胞学的解剖学に似ています。 この場合、細菌は細胞の細胞小器官を表し、フィルムのマトリックスは細胞小器官間の細胞骨格に富む細胞質を表します。 興味深いことに、真核生物の細胞質は、バイオフィルムのマトリックスを特徴付ける同じ構造成分の多くを持っています。 これは、細胞小器官が細胞質内を移動するのと同じ方法で細菌がフィルム内を移動できるようにするアクチンとミオシンに特に当てはまります。
この議論のポイントは、進化した単一の実体ではなく、より高度な真核細胞が細菌群集の進化を表している可能性があるということです。 細胞は、細胞小器官に分化した原核生物の細かく調整されたコミュニティを表します。 そのような仮説は、多形性生物学者の信念を支持します。多形性生物学者は、病気に関連する微生物が、死にかけている細胞から生じた、芽を出した生命体を表しているのではないかと信じています。 理にかなっています。
とにかく、進化の第二段階では、より洗練された真核生物(有核)細胞の起源が見られました。 しかし、細胞の生命には物理的な制限があるため、有核細胞がその最大比サイズに達すると進化は止まりました。 細胞がその表面積を所定のサイズを超えて拡大しようとすると、細胞は不安定になります。特定の寸法を超えると、膜はその細胞質の質量を物理的に拘束できなくなります。 これは、膜の破裂と膜電位の喪失につながります(そこから細胞は生命を与えるエネルギーを引き出します)。 また、細胞が特定の直径を超える場合、拡散のプロセスでは、代謝処理が細胞の中央部分に到達するのに十分な酸素が得られません。
その結果、進化の歴史において、最初の3億年は、主に単細胞生物(細菌、藻類、原生動物)の出現と進化に関連していました。 それは、単一細胞の限界を超えて膜表面積(すなわち、認識の可能性)を拡大するための代替方法を表す多細胞生物の起源でした。 その結果、進化の第XNUMXフェーズに相当するもので、生物学的「コンピューター」能力(認識)の増加は、より高次のコミュニティに組織化する同じプロセスから生じました。 進化の第XNUMX段階は、個々の真核細胞の認識を高めるのではなく、個々の真核細胞の「チップ」を相互作用するアセンブリに順序付けることに関係していました。
この進化の「段階的」は、コンピューター業界で起こったものに似ています。 TexasInstrumentsがチップを開発しました。 個々のチップは、単純な計算機の心臓部です。 しかし、多くのチップが統合され、一緒に配線されたとき、それらはコンピューターに提供されました。 個々のコンピューターが最大の能力に達したとき、スーパーコンピューターは、組織化された並列処理の「コミュニティ」に多くのコンピューターを組み立てることによって作成されました。 細菌と真核細胞との関係は、チップとコンピューターとの関係に等しい。 真核細胞と多細胞生物との関係は、並列処理ネットワークにおける個々のコンピューターと全体との関係と同じです。
コンピュータでは、マシンの「電力」はBIT処理能力で測定されます。 生物では、「認識」の可能性は、統合されたIMP複合体の数と多様性に反映されます。 IMPの量は「表面積」に直接関連しているため、意識は多細胞生物の共有膜表面の要因になります。
脊椎動物の脳の進化に関して、その表面積の関係を考慮してください。 最初の脊椎動物の脳は小さくて滑らかな球体です。 進化のはしごを上るにつれて、脳は大きくなり、その後、より高度な脳の特徴的な溝(溝)と脳回(ひだ)を生成する脳の表面の折り畳みからより多くの表面積が得られます。 興味深いことに、脳の表面の観点から意識を考えると、ネズミイルカとイルカの脳は表面積が大きいため、人間はXNUMX位です。
単細胞原生動物と同様に、人間は別の進化のエンドポイント、多細胞生物構造の最高レベルの発達を表すことが提案されています。 進化の前のXNUMXつのサイクルで発生したものと重複する一連のイベントでは、人間の進化は、個人の集合とマルチ「セルラー」コミュニティへの統合のプロセスを通じて継続しました。 人類として知られているこのコミュニティでは、各人の役割は、人間の構造内の単一の細胞の役割に類似しています。 生物としての地球(ガイア)の世界的な見方では、人間は地球の表面膜のIMPに相当します。 人間は、受容体およびエフェクターとして、地球のエンベロープ内のパターン化されたネットワーク(コミュニティ)に集まって統合され、そこで環境の「信号」を受け取り、惑星の膜ゲートのスイッチングメカニズムとして機能します。
これらの研究は、過去と未来の進化が細胞膜の構造と精緻化において数学的にモデル化できることを明らかにしています。 XNUMX次元の膜表面積をXNUMX次元の細胞空間に組織化する最良の方法は、フラクタル形状を採用することです。
自然界では、ほとんどの無機および有機構造が「不規則な」パターンを表現しています。 しかし、不規則性の明らかな混沌の中で、不規則な構造が「規則的に」繰り返されていることがわかります(つまり、それらは秩序の形を示しています)。 たとえば、木の小枝の枝分かれのパターンは、多くの場合、木の幹で観察される枝分かれのパターンと同じです。 主要な川の分岐のパターンは、その小さな支流に沿って観察された分岐のパターンと同じです。 気管支に沿った枝のパターンは、最小の細気管支に沿った気道の枝のパターンの繰り返しです。 体内で繰り返される分岐パターンの同様の画像は、動脈および静脈の血管と末梢神経系で明らかになります。
フランスの数学者、ブノワマンデルブロは、調査した規模に関係なく、多くの自然の物体の幾何学が同様のパターンを示したことを最初に認識しました。 画像を拡大すればするほど、構造は同じように見えます。 マンデルブロは、そのようなオブジェクトを説明するために「自己相似」という用語を導入しました。 「1975年、マンデルブロは、不規則で断片化された自己相似形状の便利なラベルとしてフラクタルという言葉を作り出しました。
フラクタルの数学は、足し算と掛け算の「演算」を繰り返すという点で驚くほど単純です。 このプロセスでは、XNUMXつの操作の結果が、次の操作の入力として使用されます。 その操作の結果は、次の操作の入力として使用されます。 数学的には、すべての「操作」はまったく同じ式を使用しますが、解決策を得るには、それらを何百万回も繰り返す必要があります。 フラクタル方程式を完成させるために必要な手作業と時間により、強力なコンピューターの出現によりブノワ・マンデルブロがこの新しい数学を定義できるようになるまで、数学者はフラクタル幾何学の「力」を認識できませんでした。
古典的な幾何学では、点、線、表面積、および立方体構造はすべて、整数、0、1、2、および3次元でそれぞれ表される次元を表します。 フラクタルジオメトリは、より「次元間」の画像をモデル化するために使用されます。 たとえば、曲線は1次元のオブジェクトです。 フラクタルでは、カーブがジグザグになりすぎて、実際には平面を埋めるのに近づきます。 線の曲線が比較的単純な場合、1の次元に近くなります。線の曲線が非常に密に詰まっていてスペースを埋めている場合、線は2次元に近づきます。 フラクタルジオメトリは、整数次元間のスペースを埋めます。
フラクタルの構造的特徴は比較的簡単に理解できます。フラクタルは、互いに入れ子になった「構造」の繰り返しパターンを示します。 それぞれの小さな構造はミニチュアですが、必ずしも大きな形の正確なバージョンである必要はありません。 フラクタル数学は、全体に見られるパターンとその全体の一部に見られるパターンとの関係を強調しています。 たとえば、枝の小枝のパターンは、体幹から枝分かれした手足のパターンに似ています。 フラクタルオブジェクトは、「ボックス」内の「ボックス」、「ボックス」内、「ボックス」内などで表すことができます。最初の「ボックス」のパラメータがわかっている場合は、基本的なオブジェクトが自動的に提供されます。他のすべての(大きいまたは小さい)「ボックス」を特徴付けるパターン。
W.AllmanによるMathematicsof Human Lifeの記事(参照セクションで引用)に記載されているように、「フラクタルの数学的研究は、フラクタルの分岐内分岐構造が3内で最大の表面積を得る最良の方法であることを明らかにしています。 -次元空間…。」 細胞膜は実際には2次元の物体ですが、その分子二重層は一定で均一な厚さを持っています。 そのため、膜の厚さは無視でき、膜はXNUMX次元の「表面積」構造としてモデル化できます。 進化は(表面積に関連する)膜の認識のモデリングであるため、フラクタルジオメトリによって提供されるモデリングの効率は、Natureによって選択されたものを反映している可能性があります。
重要なのは、モデリングの数学にとらわれないことです。 重要なのは、フラクタルモデルは、進化が互いにネストされた「構造」の繰り返しパターンに基づくことを予測しているということです。 具体的には、フラクタル進化の概念である「全体のパターンが全体の一部に見られる」ということは、人間のパターンが人間の一部(細胞)に見られることを意味します。 細胞が機能的に組織化されているパターンを知っている場合は、人間の組織化についての洞察も提供されます。 これを考慮してください:小さな構造のフラクタル画像は、大きな全体のミニチュアです。 したがって、人間の構造は自分の細胞の自己相似のイメージですが、人間の文明の構造は、その構成要素である人間の自己相似の構造を表しています!
人間は社会のフラクタルイメージであり、細胞は人間のフラクタルイメージです。 実際、細胞は社会のフラクタルイメージでもあります。 進化のフラクタル性は、進化のXNUMXつのサイクルのそれぞれで観察された繰り返しの自己同一パターンによってさらに暗示されます。