비트와 조각에 의한 진화 : 프랙탈 진화 소개
각 생물학적 세포를 둘러싸고있는 막 경계는 생물학적 프로세서 시스템의 구조적 기반을 구성합니다 (기사 : Cellular Consciousness 참조). 프로세서로서 세포의 막 수용체는 신호를 찾기 위해 환경을 스캔합니다. 분명히 환경은 신호로 넘쳐납니다. 모든 신호가 들리면 주변 환경이 윙윙 거리는 소음처럼 들릴 것입니다. 그러나 각 수용체 IMP의 특징 인 수신 특이성은 모든 뒤섞인 주변 소음에서 보완 신호를 구별 할 수있게합니다. "혼돈 된"노이즈에서 유용한 정보를 선택적으로 필터링하는 셀의 기능은 특정 주파수를 정보 신호로 인식하는 복잡한 입력에 대한 푸리에 변환 (노이즈로 보이는 것 내에서 신호를 찾는 수학적 필터링 프로세스)의 기능과 유사합니다. 환경은 수백, 수천 개의 "신호"가 동시에 표현되는 "혼란"한 의미에서 셀은 자신의 존재와 관련된 신호 만 선택적으로 읽을 수 있습니다.
세포막의 기능적 및 구조적 특징에 따라 각 단일 세포 (예 : 아메바)는 자체 구동 마이크로 컴퓨터 시스템. 디지털 컴퓨터에서와 마찬가지로 "셀룰러"컴퓨터의 전력 또는 정보 처리 용량은 관리 할 수있는 BIT 수에 따라 결정됩니다. 컴퓨터에서 BIT는 게이트 / 채널 복합체이고, 멤브레인 프로세서에서는 BIT가 수용체 / 효과기 복합체로 표시됩니다. 세포의 BIT를 구성하는 IMP 분자는 물리적 매개 변수를 정의 했으므로 "측정"할 수 있습니다.
IMP 단백질의 치수는 막의 두께와 거의 동일합니다. 정의에 따라 IMP는 막의 이중층 내에 존재하기 때문에 단백질은 단층으로 만 배열 될 수 있습니다 (즉, IMP는 서로 겹쳐 질 수 없음). 빵과 버터와 올리브 샌드위치 비유를 사용하기 위해 빵 위에 겹쳐 질 수있는 올리브가 너무 많습니다. 샌드위치에 올리브를 더 많이 넣으려면 더 큰 빵 조각을 사용해야합니다. 멤브레인에서 인식 -IMP 단위의 수를 늘리는데도 동일하게 적용됩니다. IMP가 많을수록이를 유지하는 데 필요한 멤브레인의 표면적이 더 많습니다. 세포의 정보 처리 능력 (지각 단백질의 수에 반영)은 막의 표면적과 직접적으로 연결됩니다.
이 담론의 핵심은… 생물학적 인식은 측정 가능한 속성이며 직접 상관 관계가있는 세포막의 표면적과 함께. 결과적으로 셀의 계산 능력은 셀룰러 차원에 부과 된 제한에 의해 물리적으로 결정됩니다.
XNUMXD덴탈의 진화의 첫 단계 생명의 생명체는 원시 박테리아 인 개별 생물학적 컴퓨터 '칩'의 개발과 개선에 관한 것입니다. 이 원시 유기체의 크기는 글리코 칼 릭스의 다당류에서 파생 된 단단한 외부 골격을 가지고 있다는 사실에 의해 제한됩니다. 이 "코트"에서 당 분자의 가교에 의해 생성 된 매트릭스는 캡슐이라고하는 세포의 보호 "골격"을 제공합니다. 캡슐은 삼투압의 긴장 하에서 세포의 얇은 막이 파열되지 않도록 물리적으로지지하고 보호합니다.
삼투압은 물이 막을 통해 이동하여 막 장벽의 각면에있는 입자의 농도를 "균형"시키기 위해 생성되는 힘입니다. 세포의 세포질은 세포가 사는 물에 비해 입자로 가득 차 있습니다. 외부 환경의 물은 세포질 미립자의 농도를 희석시키기 위해 막을 통과합니다. 세포는 물로 부풀어 오르고 압력은 민감한 막 이중층을 파열시켜 세포를 죽입니다. glycocalyx 외골격은 생명을 위협하는 삼투압에 저항합니다.
박테리아는 무척추 동물 (내부지지 골격이없는 동물 (예 : 조개, 곤충, 해파리))과 같은 세포입니다. 골격이 박테리아를 보호하는 반면, 딱딱한 성질은 박테리아를 제한합니다. 박테리아 세포 크기는 바깥쪽에 의해 제한됩니다. 캡슐. 크기 제한은 세포가 보유 할 수있는 막의 양을 제한합니다. 막 표면적은 포함 할 수있는 IMP 수에 따라 인식에 비례합니다. 박테리아 캡슐은 단위 수에 제한이 있기 때문에 세포의 진화를 제한합니다. 막이 포함 할 수있는 지각의.
실제로 박테리아의 막 표면적 대부분은 세포 생존에 필요한 IMP 복합체를 수용하는 데 사용됩니다. 그러나 각 박테리아는 XNUMX 가지 추가 환경 "신호"를 학습 할 수도 있습니다. 예를 들어, 박테리아는 환경에 도입 된 항생제에 저항하는 능력을 획득 할 수 있습니다. 이것은 항생제 분자를 결합하고 억제하는 표면 수용체를 생성함으로써 이루어집니다. 새로운 수용체는 근본적으로 우리의 면역 세포가 침습성 항원을 중화시키기 위해 생성하는 단백질 "항체"와 동일합니다.
정의상 새로운 수용체의 생성은 그 단백질의 아미노산 코드를 기억하기 위해 생성 된 새로운 유전자가 있어야 함을 의미합니다. 박테리아에서 이러한 "새로운" 기억 유전자는 플라스미드라고하는 작은 DNA 원으로 존재합니다. 플라스미드는 세포의 유전을 제공하는 염색체에 물리적으로 부착되어 있지 않으며 세포질에서 자유롭게 떠 다닙니다. 박테리아는 평균 약 XNUMX 개를 생성 할 수 있습니다. 다른 플라스미드, 각각 고유 한 학습 "경험"에서 파생됩니다. 세포가 가지고있는 플라스미드의 수에 대한 제한은 DNA를 만들 수 없기 때문이 아닙니다. 박테리아는 소유하고있는 개별 플라스미드의 수천 개의 사본을 만들 수 있습니다. 한계는 각각의 "새로운"단백질 인식 복합체가 기능을 표현하기 위해 표면적 단위가 필요하다는 사실과 관련이 있어야합니다. 막을 확장 할 수없는 (즉, 표면적) 박테리아가 새로운 인식 (인식)을 획득하는 능력을 제한합니다.
인식이 많을수록 생존 능력이 커집니다. 개인의 인식을 높이는 제한으로 인해 느슨하게 짜여진 공동체에 박테리아가 살고 있습니다. 개별 박테리아가 환경에 대한 600 가지 사실을 "학습"할 수 있다면 XNUMX 개 이상의 박테리아가 XNUMX 가지 사실을 집합 적으로 인식 할 수 있습니다. 박테리아는 플라스미드의 사본을 지역 사회의 다른 박테리아로 옮기는 메커니즘을 개발했습니다. “학습 된”DNA의 사본을 전송함으로써 그들은 커뮤니티와“인식”을 공유합니다. 박테리아는 플라스미드를 다른 사람에게 옮길 수 있습니다. 수혜자 박테리아는 기증 된 플라스미드의 "인식"을 평생 사용할 수 있지만 일반적으로 플라스미드 사본을 딸 세포 자손에게 전달할 수 없습니다.
박테리아는 pili라고 불리는 외부 표면에서 확장되는 미세한 촉수와 같은 돌기를 가지고 있습니다. 두 박테리아의 pili가 닿으면 모낭 막이 일시적으로 융합되어 두 세포의 세포질을 결합 할 수 있습니다. 융합 순간에 두 박테리아는 플라스미드의 복사본을 교환 할 수 있습니다. 박테리아는 또한 환경에서 자유롭게 떠 다니는 DNA를 스카프 업할 수 있으므로 세포가 죽고 세포질이 누출 될 때 발생할 수있는 환경으로 방출 된 플라스미드는 다른 세포에 의해 제거 될 수 있습니다. 그러나 환경은 자유 부유 DNA에서 힘들고 플라스미드가 쉽게 분해됩니다. 박테리아가 플라스미드 DNA를 보호 단백질 껍질로 패키징하여 바이러스를 생성하는 방법을 배웠을 때 세 번째로 "인식"플라스미드를 배포하는보다 효과적인 방법이 생겼습니다. 바이러스에는 환경의 다른 개별 세포로 방출되는 "정보"가 포함되어 있습니다. 일부 바이러스는 자신을 잡아내는 세포를 죽이고 다른 바이러스는 자신이 "감염"하는 세포를 보호합니다. 때때로“정보”는 생명을 긍정하고 때로는 치명적입니다.
박테리아 군집은 다당류 세포 외 기질을 배포하여 군집의 모든 세포를 둘러싸고 야생 환경의 파괴로부터 그들을 "보호"함으로써 생존을 증가시키는 수단을 발전 시켰습니다. 개별 박테리아는 매트릭스 내의 "관개 된"채널을 통해 이동할 수있었습니다. 채널은 또한 세포 외 물질과 정보 분자의 통신을 가능하게하여 커뮤니티의 모든 구성원 간의 공동 통합을 제공했습니다. 세포 공동체는 다양한 박테리아 종으로 채워질 수 있습니다. 예를 들어 산소를 두려워하는 혐기성 박테리아는 공동체의 바닥에 살 수있는 반면 산소를 사랑하는 호기성 박테리아는 같은 공동체의 상위 수준에 존재합니다. 커뮤니티 내의 박테리아는 쉽게 DNA를 교환 할 수 있으며, 그렇게함으로써 세포 시민이 특화되고 차별화 된 기능을 획득 할 수 있습니다.
이러한 매트릭스로 둘러싸인 박테리아 군집을 생물막이라고합니다 (아래 그림 참조). 생물막은 현재 항생제로부터 세균 군집을 보호하는 것으로 인식되어 매우 중요해졌습니다. 치아 충치를 형성하는 박테리아는 실제로 생물막 군집으로,이를 치아에서 제거하려는 우리의 노력에 저항합니다. 생물막의 저항성과 보호 성으로 인해이 공동체는 바다를 떠나 육지에서 살 수있는 최초의 생명체가되었습니다.
수년 전, 생물 학자 Lynn Margulis는 미토콘드리아가 진핵 생물이라고하는 더 발전된 핵 함유 세포의 세포질을 침범 한 박테리아와 유사한 유기체라는 개념을 세웠습니다. 처음에 그녀의 아이디어는 설립에 의해 조롱되었지만 수년에 걸쳐 널리 받아 들여지는 믿음이되었습니다. 흥미롭게도, 생물막에서 박테리아의 공동 특성에 대한 이해는 또 다른 해석을 제공합니다.
왼쪽의 현미경 사진은 인간 폐의 생물막의 예를 보여줍니다. 감염성 슈도모나스 박테리아 덩어리는 생물막을 포함하는 어두운 염색 세포 외 기질 (화살표 참조)에 싸여 있습니다. 매트릭스 내 캡슐화는 박테리아를 파괴하려는 면역계의 노력으로부터 박테리아를 보호합니다. 주로 탄수화물로 만들어진 매트릭스에는 일부 박테리아의 외부 표면에 결합 된 근육 단백질 인 액틴과 미오신이 포함될 수 있습니다. 외부 액틴과 미오신 단백질은 박테리아가 필름의 매트릭스 내에서 이동할 수 있도록합니다.
오른쪽의 현미경 사진은 같은 그림이지만 필름 주변에 "막"이 그려져 있습니다. 필름 주변의 막은 박테리아 공동체가 환경의 구성과 특성을 미세하게 제어 할 수있게하여 생존을 향상시키는 데 필요한 개발입니다. 이 변형 된 필름은 진화 적으로 더 진보 된 진핵 세포의 세포 학적 해부학과 유사합니다. 이 경우 박테리아는 세포의 세포 기관을 나타내고 필름의 매트릭스는 세포 기관 사이의 세포 골격이 풍부한 세포질을 나타냅니다. 흥미롭게도, 진핵 생물의 세포질은 생물막의 매트릭스를 특징 짓는 동일한 구조적 구성 요소를 많이 가지고 있습니다. 이것은 세포 소기관이 세포질에서 움직이는 것과 같은 방식으로 박테리아가 필름에서 움직일 수 있도록하는 액틴과 미오신의 경우 특히 그렇습니다.
이 논의의 요점은 진화 된 단일 독립 체가 아니라 더 발전된 진핵 세포가 박테리아 공동체의 진화를 나타낼 수 있다는 것입니다. 세포는 세포 기관으로 분화 된 원핵 생물의 미세 조정 된 커뮤니티를 나타냅니다. 이러한 가설은 질병 관련 미생물이 죽어가는 세포에서 생겨난 생명체를 나타낼 수 있다고 믿는 작지만 확고한 과학자 그룹 인 다형성 생물학 자의 신념을 뒷받침합니다. 말이된다.
그럼에도 불구하고 진화의 두 번째 단계는 더 정교한 진핵 세포 (핵 세포)의 기원을 보았습니다. 그러나 세포 생명체에 물리적 한계가 있기 때문에 핵 세포가 최대 특정 크기에 도달하면 진화가 중단되었습니다. 세포가 주어진 크기 이상으로 표면적을 확장하려고 시도하면 세포가 불안정 해집니다. 왜냐하면 특정 크기를 초과하면 세포막이 물리적으로 세포질의 질량을 제한 할 수 없기 때문입니다. 이것은 막의 파열과 막 전위의 손실 (세포가 생명을주는 에너지를 끌어들이는)으로 이어질 것입니다. 또한 세포가 특정 직경을 초과하면 확산 과정이 대사 과정을 통해 세포의 중앙 부분에 도달하는 데 충분한 산소를 제공하지 못합니다.
결과적으로 진화의 역사에서 처음 3 억년은 주로 외양과 진화 단세포 유기체 (박테리아, 조류, 원생 동물)와 관련이있었습니다. 단일 세포의 한계를 넘어 막 표면적 (즉, 인식 잠재력)을 확장하는 대안적인 방법을 대표하는 것은 다세포 유기체의 기원이었습니다. 결과적으로 진화의 세 번째 단계에 이르렀 던 생물학적 "컴퓨터"능력 (인식)의 증가는 고차원 공동체로 조직화하는 동일한 과정에서 비롯되었습니다. 개별 진핵 세포에 대한 인식을 높이기보다는 진화의 세 번째 단계는 개별 진핵 세포 '칩'을 상호 작용 어셈블리로 정렬하는 것과 관련이 있습니다.
이러한 진화의 "단계"는 컴퓨터 산업에서 일어난 것과 유사합니다. Texas Instruments가이 칩을 개발했습니다. 개별 칩은 간단한 계산기의 핵심입니다. 그러나 많은 칩이 통합되고 함께 배선되었을 때 컴퓨터를 제공했습니다. 개별 컴퓨터가 최대 전력에 도달했을 때 많은 컴퓨터를 조직화 된 병렬 처리 "커뮤니티"로 조립하여 슈퍼 컴퓨터를 만들었습니다. 진핵 세포에 대한 박테리아의 관계는 칩과 컴퓨터의 관계에 해당합니다. 다세포 유기체에 대한 진핵 세포의 관계는 병렬 처리 네트워크에서 전체에 대한 개별 컴퓨터의 관계와 동일합니다.
컴퓨터에서 기계의 "파워"는 BIT 처리 용량으로 측정됩니다. 생물학적 유기체에서 "인식"잠재력은 통합 된 IMP 복합체의 수와 다양성에 반영됩니다. IMP의 양은 "표면적"과 직접적으로 연결되어 있기 때문에 인식은 다세포 유기체에서 공유되는 막 표면의 요소가됩니다.
척추 동물의 뇌 진화와 관련된 표면적 관계를 고려하십시오. 첫 번째 척추 동물의 뇌는 작고 매끄러운 구체입니다. 진화 사다리를 올라 갈수록 뇌는 더 커지고 더 많은 표면적은 더 발전된 뇌의 특징적인 고랑 (홈)과 이랑 (접힘)을 생성하는 뇌 표면의 접힘에서 파생됩니다. 흥미롭게도, 뇌 표면에 대한 인식을 고려할 때, 돌고래와 돌고래의 뇌는 표면적이 더 넓기 때문에 인간이 XNUMX 위를 차지했습니다.
단세포 원생 동물과 유사하게 인간은 다세포 생물학적 구조에 대한 최고 수준의 발달 인 또 다른 진화 종점을 나타낸다고 제안됩니다. 이전 두 번의 진화주기에서 발생한 사건과 중복되는 일련의 사건에서 인간의 진화는 개인을 다중 "세포"공동체로 조립하고 통합하는 과정을 통해 계속되었습니다. 인류로 알려진이 공동체에서 각 사람의 역할은 인간 구조에서 단일 세포의 역할과 유사합니다. 지구를 살아있는 유기체 (Gaia)로 보는 글로벌 관점에서 인간은 지구 표면 막의 IMP 등가물입니다. 인간은 수용체와 이펙터로서 지구의 외피에서 패턴 화 된 네트워크 (커뮤니티)로 모이고 통합되어 환경 "신호"를 수신하고 행성의 막 게이트의 전환 메커니즘 역할을합니다.
이 연구는 과거와 미래의 진화가 세포막의 구조와 정교함에서 수학적으로 모델링 될 수 있음을 보여줍니다. XNUMX 차원 막 표면적을 XNUMX 차원 세포 공간으로 구성하는 가장 좋은 방법은 프랙탈 기하학을 사용하는 것입니다.
자연에서 대부분의 무기 및 유기 구조는 "불규칙한"패턴을 나타냅니다. 그러나 불규칙성의 명백한 혼돈 내에서 불규칙한 구조가 "정기적으로"반복된다는 것을 발견합니다 (즉, 질서의 형태를 나타냄). 예를 들어, 나뭇 가지의 가지 패턴은 종종 나무의 줄기에서 관찰되는 것과 동일한 가지 패턴입니다. 주요 강의 분기 패턴은 작은 지류를 따라 관찰되는 분기 패턴과 동일합니다. 기관지를 따라 가지의 패턴은 가장 작은 세기관지를 따라기도 가지의 패턴을 반복 한 것입니다. 신체에서 반복되는 분기 패턴의 유사한 이미지가 동맥 및 정맥 혈관과 말초 신경계에서 드러납니다.
프랑스의 수학자 인 Benoit Mandelbrot는 자연의 많은 물체의 기하학이 조사 된 규모에 관계없이 유사한 패턴을 나타냈다는 것을 처음으로 인식했습니다. 이미지를 확대할수록 구조가 동일하게 나타납니다. Mandelbrot는 이러한 대상을 설명하기 위해 "자기 유사성"이라는 용어를 도입했습니다. “1975 년에 Mandelbrot는 프랙탈이라는 단어를 불규칙하고 조각난 자기 유사 모양에 대한 편리한 레이블로 만들었습니다.
프랙탈의 수학은 덧셈과 곱셈의 반복적 인 "연산"으로 구성된다는 점에서 놀랍도록 간단합니다. 이 프로세스에서 한 작업의 결과는 후속 작업의 입력으로 사용됩니다. 그런 다음 해당 작업의 결과가 다음 작업의 입력으로 사용됩니다. 수학적으로 모든 "연산"은 똑같은 공식을 사용하지만 솔루션을 얻으려면 수백만 번 반복되어야합니다. 프랙탈 방정식을 완성하는 데 필요한 수작업과 시간으로 인해 수학자들은 강력한 컴퓨터의 출현으로 Benoit Mandelbrot가이 새로운 수학을 정의 할 수있을 때까지 프랙탈 기하학의 "힘"을 인식하지 못했습니다.
고전적인 기하학에서 점, 선, 표면적 및 입방 구조는 모두 정수, 0, 1, 2 및 3 차원으로 표현 된 차원을 나타냅니다. 프랙탈 기하학은보다 "간 차원 적"인 이미지를 모델링하는 데 사용됩니다. 예를 들어 곡선은 1 차원 개체입니다. 프랙탈에서 커브는 지그재그가 너무 많아서 실제로 평면을 채우는 데 가깝습니다. 선의 곡선이 상대적으로 단순한 경우 1의 차원에 가깝습니다. 선의 곡선이 공간을 채울 정도로 빡빡하게 밀집되어 있으면 선은 2 차원에 가까워집니다. Fractal Geometry는 정수 차원 사이의 공간을 채 웁니다.
프랙탈의 구조적 특성은 비교적 이해하기 쉽습니다. 프랙탈은 서로 중첩 된 "구조"의 반복 된 패턴을 나타냅니다. 각각의 작은 구조는 소형이지만 반드시 더 큰 형태의 정확한 버전은 아닙니다. 프랙탈 수학은 전체에서 보이는 패턴과 그 전체에서 보이는 패턴 사이의 관계를 강조합니다. 예를 들어 나뭇 가지의 나뭇 가지 패턴은 몸통에서 분기되는 팔다리 패턴과 비슷합니다. 프랙탈 객체는 "상자"내, "상자"내, "상자"등의 "상자"로 표현 될 수 있습니다. 첫 번째 "상자"의 매개 변수를 알고있는 경우 자동으로 기본 다른 모든 (크거나 작은) "상자"를 특징 짓는 패턴.
W. Allman의 Mathematics of Human Life 기사 (참조 섹션에서 인용)에 설명 된대로,“프랙탈의 수학적 연구에 따르면 프랙탈의 분기 내 분기 구조는 3 개 내에서 가장 많은 표면적을 얻는 가장 좋은 방법을 나타냅니다. -차원 공간….” 세포막은 실제로 2 차원 물체이지만 분자 이중층은 일정하고 균일 한 두께를 가지고 있습니다. 따라서 멤브레인의 두께는 무시할 수 있으며 멤브레인은 XNUMX 차원 "표면적"구조로 모델링 할 수 있습니다. 진화는 (표면적과 관련된) 멤브레인 인식의 모델링이기 때문에 프랙탈 기하학이 제공하는 모델링의 효율성은 Nature가 선택한 것을 반영 할 가능성이 가장 높습니다.
요점은 모델링의 수학에 얽매이지 않는 것입니다. 요점은 프랙탈 모델이 진화가 서로 중첩 된 "구조"의 반복 된 패턴을 기반으로 할 것이라고 예측한다는 것입니다! 좀 더 구체적으로 말하자면, "전체의 패턴이 전체의 일부에서 보인다"는 프랙탈 진화의 개념과 관련하여 이것은 인간의 패턴이 인간의 부분 (세포)에서 보인다는 것을 의미한다. 세포가 기능적으로 조직되는 패턴을 알고 있다면 인간의 조직에 대한 통찰력도 제공됩니다. 이것을 고려하십시오 : 작은 구조의 프랙탈 이미지는 더 큰 전체의 소형입니다. 따라서 인간의 구조는 자기 세포의 자기 유사한 이미지이지만, 인간 문명의 구조는 인간을 구성하는 자기 유사한 구조를 나타낼 것입니다!
인간은 사회의 프랙탈 이미지이고 세포는 인간의 프랙탈 이미지입니다. 사실 세포는 사회의 프랙탈 이미지이기도합니다. 진화의 프랙탈 특성은 진화의 세주기 각각에서 관찰되는 반복되는 자기 동일한 패턴에 의해 더욱 암시됩니다.