Evolution by BITs and Pieces: An Introduction to Fractal Evolution
De membraangrens die elke biologische cel omhult, vormt de structurele basis van een biologisch processorsysteem (zie artikel: Cellulair Bewustzijn). Als processor scannen de membraanreceptoren van de cel de omgeving op signalen. Het is duidelijk dat de omgeving overspoeld wordt met signalen. Als alle signalen hoorbaar waren, zou de omgeving klinken als schetterend geluid. De specificiteit van de ontvangst die kenmerkend is voor elke receptor IMP, maakt het echter mogelijk om zijn complementaire signaal te onderscheiden van al het warrige omgevingsgeluid. Het vermogen van de cel om selectief nuttige informatie uit "chaotische" ruis te filteren, lijkt op de functie van Fourier-transformaties [wiskundige filterprocessen die signalen vinden binnen wat lijkt op ruis] op complexe inputs om specifieke frequenties als informatiesignalen waar te nemen. Hoewel de omgeving in zekere zin 'chaotisch' is, met honderden en duizenden gelijktijdig uitgedrukte 'signalen', kan de cel selectief alleen die signalen lezen die relevant zijn voor zijn bestaan.
Gebaseerd op de functionele en structurele kenmerken van het celmembraan, vertegenwoordigt elke cel (bijv. Amoebe) een zelfaangedreven microcomputersysteem. Net als bij digitale computers wordt het vermogen of de capaciteit van de "cellulaire" computer om informatie te verwerken bepaald door het aantal BIT's dat hij kan beheren. In computers zijn de BIT's poort- / kanaalcomplexen, in de membraanprocessor worden de BIT's weergegeven door receptor- / effectorcomplexen. De IMP-moleculen waaruit de BIT's van de cel bestaan, hebben fysieke parameters gedefinieerd en kunnen daarom worden 'gemeten'.
De afmeting van de IMP-eiwitten is ongeveer gelijk aan de dikte van het membraan. Omdat de IMP's zich per definitie in de dubbellaag van het membraan bevinden, kunnen de eiwitten alleen als monolaag worden gerangschikt (wat betekent dat de IMP's niet op elkaar kunnen worden gestapeld). Om de metafoor van brood en boter en sandwich met olijven te gebruiken: er zijn maar een beperkt aantal olijven die op het brood kunnen worden aangebracht. Om meer olijven in de sandwich te hebben, heb je een grotere boterham nodig. Hetzelfde geldt voor het vergroten van het aantal perceptie-IMP-eenheden in het membraan: hoe meer IMP's-hoe meer membraanoppervlak nodig is om ze vast te houden. Het informatieverwerkingsvermogen van de cel (weerspiegeld in het aantal perceptie-eiwitten) is direct gekoppeld aan het oppervlak van het membraan.
Het diepste punt van deze verhandeling ... Biologisch bewustzijn is een meetbare eigenschap, en dat is het ook direct gecorreleerd met het oppervlak van het celmembraan. Bijgevolg wordt de rekenkracht van een cel fysiek bepaald door beperkingen die worden opgelegd aan cellulaire afmetingen.
De eerste fase van evolutie van het leven betrof de ontwikkeling en verfijning van de individuele biologische computerchip, de primitieve bacterie. De grootte van deze primitieve organismen wordt beperkt door het feit dat ze een stijf buitenskelet bezitten, afgeleid van de polysacchariden van de glycocalyx. De matrix die wordt geproduceerd door de verknoping van de suikermoleculen in deze 'laag', zorgt voor het beschermende 'skelet' van de cel, een capsule genaamd. De capsule ondersteunt fysiek en beschermt het dunne membraan van de cel tegen scheuren onder de osmotische druk.
Osmotische druk is de kracht die wordt gegenereerd door de wens van water om door een membraan te bewegen om de concentratie van deeltjes aan elke kant van de membraanbarrière te 'balanceren'. Het cytoplasma van de cel zit vol met deeltjes in vergelijking met het water waarin cellen leven. Water uit de externe omgeving zal door het membraan gaan om de concentratie van cytoplasmatische deeltjes te verdunnen. De cel zou opzwellen met water en door de druk zou de delicate membraandubbellaag scheuren, waardoor de cel zou sterven. Het glycocalyx-exoskelet is bestand tegen levensbedreigende osmotische druk.
Bacteriën zijn het cellulaire equivalent van ongewervelde dieren (dieren die geen intern ondersteunend skelet hebben (bijv. Tweekleppige schelpdieren, insecten, kwallen). Hoewel het skelet de bacterie beschermt, beperkt de rigide aard dit ook. De grootte van de bacteriële cel wordt beperkt door de buitenkant capsule. De groottebeperking beperkt de hoeveelheid membraan die de cel kan bezitten. Het membraanoppervlak is evenredig met het bewustzijn, gebaseerd op het aantal IMP's dat het kan bevatten. De bacteriële capsule beperkt de evolutie van de cel aangezien er een limiet is voor het aantal eenheden van perceptie die het membraan kan bevatten.
In feite wordt het grootste deel van het membraanoppervlak van de bacterie gebruikt om de noodzakelijke IMP-complexen te huisvesten die nodig zijn voor celoverleving. Elke bacterie is echter ook in staat om ongeveer zes aanvullende omgevingssignalen te leren. Een bacterie kan bijvoorbeeld het vermogen verwerven om weerstand te bieden aan een antibioticum dat in het milieu wordt geïntroduceerd. Het doet dit door een oppervlaktereceptor te creëren die de moleculen van het antibioticum bindt en remt. De nieuwe receptor is fundamenteel het equivalent van een eiwit "antilichaam" dat onze immuuncellen creëren om een invasief antigeen te neutraliseren.
Het creëren van een nieuwe receptor houdt per definitie in dat er een nieuw gen moet worden gecreëerd om de aminozuurcode voor dat eiwit te onthouden. Bij bacteriën zijn deze 'nieuwe' geheugen genen zijn aanwezig als kleine cirkels van DNA die plasmiden worden genoemd. De plasmiden zijn niet fysiek gehecht aan het erfelijkheidsverschaffende chromosoom van de cel en zweven vrij in het cytoplasma. Bacteriën zijn in staat om gemiddeld ongeveer zes aan te maken anders plasmiden, elk afgeleid van een unieke leerervaring. De beperking van het aantal plasmiden dat de cel bezit, is niet te wijten aan het onvermogen om DNA te maken. De bacterie kan namelijk duizenden kopieën maken van elk van de individuele plasmiden die het bezit. De beperkingen moeten verband houden met het feit dat elk "nieuw" eiwitperceptiecomplex een oppervlakte-eenheid nodig heeft om zijn functies uit te drukken. Het onvermogen om zijn membraan (dwz oppervlak) uit te zetten, beperkt het vermogen van de bacterie om nieuwe waarnemingen (bewustzijn) te verwerven.
Hoe meer bewustzijn, hoe groter het vermogen om te overleven. Beperkingen voor individuen die hun bewustzijn vergrootten, leidden ertoe dat bacteriën in losjes samengestelde gemeenschappen leefden. Als een individuele bacterie zes feiten over het milieu kan “leren”, dan zijn honderd bacteriën gezamenlijk in staat om 600 feiten te kennen. Bacteriën ontwikkelden mechanismen om kopieën van hun plasmiden over te dragen aan andere bacteriën in de gemeenschap. Door kopieën van hun "aangeleerde" DNA over te dragen, delen ze hun "bewustzijn" met de gemeenschap. Bacteriën kunnen een plasmide overbrengen naar een ander individu. De ontvangende bacterie kan het 'bewustzijn' van het gedoneerde plasmide tijdens zijn leven gebruiken, maar kan in het algemeen geen kopieën van het plasmide doorgeven aan zijn dochtercel-nageslacht.
Bacteriën hebben fijne tentakelachtige uitsteeksels die zich uitstrekken vanaf hun buitenoppervlak, pili genaamd. Wanneer de pili van twee bacteriën elkaar raken, kunnen de pilusmembranen tijdelijk samensmelten en het cytoplasma van de twee cellen met elkaar verbinden. Op het moment van fusie kunnen de twee bacteriën kopieën van hun plasmiden uitwisselen. Bacteriën zijn ook in staat om vrij zwevend DNA in de omgeving op te ruimen, dus plasmiden die in de omgeving vrijkomen, zoals kan gebeuren wanneer een cel sterft en het cytoplasma eruit lekt, kunnen door andere cellen worden weggevangen. De omgeving is echter zwaar voor vrij zwevend DNA en de plasmiden worden gemakkelijk afgebroken. Een derde, effectievere manier om ‘bewustzijnsplasmiden’ te verspreiden, ontstond toen bacteriën leerden hoe ze hun plasmide-DNA in beschermende eiwitomhulsels konden verpakken en zo virussen creëerden. Virussen bevatten ‘informatie’ die wordt vrijgegeven aan andere individuele cellen in de omgeving. Sommige virussen doden de cellen die ze oppikken, terwijl andere virussen de cellen beschermen die ze 'infecteren'. Soms is "informatie" levensbevestigend, soms is het dodelijk.
Bacteriële gemeenschappen ontwikkelden een middel om hun overleving te vergroten door een extracellulaire matrix van polysacchariden te gebruiken om alle cellen in de gemeenschap te omhullen en ze te "beschermen" tegen de verwoestingen van de wilde omgeving. Individuele bacteriën waren in staat om door ‘geïrrigeerde’ kanalen in de matrix te bewegen. De kanalen maakten ook een communicatie mogelijk van extracellulaire materialen en informatiemoleculen, wat zorgde voor een gemeenschappelijke integratie tussen alle leden van de gemeenschap. De cellulaire gemeenschap kan worden bevolkt met een verscheidenheid aan bacteriesoorten. Zuurstofvrezende anaërobe vormen van bacteriën kunnen bijvoorbeeld op de bodem van een gemeenschap leven, terwijl zuurstofminnende aërobe bacteriën aanwezig zijn in de hogere niveaus van dezelfde gemeenschap. Bacteriën binnen de gemeenschap zijn gemakkelijk in staat hun DNA uit te wisselen, waardoor de cellulaire burgers gespecialiseerde, gedifferentieerde functies kunnen verwerven.
Deze in matrix omhulde bacteriële gemeenschappen worden biofilms genoemd (zie onderstaande afbeelding). Biofilms zijn erg belangrijk geworden omdat ze nu erkend worden om bacteriële gemeenschappen te beschermen tegen antibiotica. De bacteriën die tandholtes vormen, zijn eigenlijk biofilmgemeenschappen, die onze pogingen om ze van onze tanden te schuren, weerstaan. De resistieve en beschermende aard van de biofilms stelde deze gemeenschappen in staat als eerste levensvormen de oceaan te verlaten en op het land te leven.
Bioloog Lynn Margulis richtte vele jaren geleden het concept op dat mitochondriën bacterieachtige organismen waren die het cytoplasma van meer geavanceerde kernbevattende cellen, eukaryoten genaamd, binnendrongen. Aanvankelijk werden haar ideeën belachelijk gemaakt door het establishment, maar in de loop der jaren is het een algemeen geaccepteerd geloof geworden. Interessant is dat een begrip van de gemeenschappelijke aard van bacteriën in biofilms een andere interpretatie biedt.
De microfoto aan de linkerkant illustreert een voorbeeld van een biofilm in een menselijke long. De infectieuze pseudomonas bacteriële klomp is ingekapseld in een donker kleurende extracellulaire matrix (zie pijl) die een biofilm bevat. Inkapseling in de matrix beschermt de bacteriën tegen de pogingen van het immuunsysteem om ze te vernietigen. De matrix, die voornamelijk uit koolhydraten bestaat, kan ook de spiereiwitten actine en myosine bevatten, die aan de buitenoppervlakken van sommige bacteriën zijn gebonden. De externe actine- en myosine-eiwitten zorgen ervoor dat de bacteriën in de matrix van de film kunnen bewegen.
De microfoto aan de rechterkant is dezelfde afbeelding, maar met een "membraan" rond de omtrek van de film. Een membraan rond de film zou de bacteriegemeenschap in staat stellen om de samenstelling en het karakter van hun omgeving nauwkeurig te beheersen, een noodzakelijke ontwikkeling die hun overleving zou vergroten. Deze gemodificeerde film lijkt op de cytologische anatomie van de evolutionair meer geavanceerde eukaryote cel. In dit geval zouden de bacteriën de organellen van de cel vertegenwoordigen en de matrix van de film zou het cytoskeletrijke cytoplasma tussen de organellen vertegenwoordigen. Interessant is dat het cytoplasma van de eukaryoten veel van dezelfde structurele componenten bezit die de matrix van de biofilm kenmerken. Dit geldt met name voor de actine en myosine die de bacteriën in staat stellen om in de film te bewegen op dezelfde manier als organellen in het cytoplasma.
Het punt van deze discussie is dat de meer geavanceerde eukaryote cel, in plaats van een geëvolueerde enkele entiteit te zijn, de evolutie van een bacteriële gemeenschap zou kunnen vertegenwoordigen. Een cel zou een fijn afgestemde gemeenschap van prokaryoten vertegenwoordigen die zich hebben gedifferentieerd tot organellen. Een dergelijke hypothese ondersteunt de opvattingen van pleomorfe biologen, een kleine maar onwankelbare groep wetenschappers die geloven dat ziektegerelateerde micro-organismen levensvormen kunnen vertegenwoordigen die voortkwamen uit stervende cellen. Klinkt logisch.
Hoe dan ook, de tweede fase van de evolutie zag de oorsprong van de meer geavanceerde eukaryote (kernhoudende) cel. De evolutie stopte echter toen de kernhoudende cel zijn maximale specifieke grootte bereikte, want er zijn fysieke beperkingen opgelegd aan het cellulaire leven. Als de cel probeert zijn oppervlak uit te breiden tot voorbij een bepaalde grootte, wordt de cel onstabiel, want als hij bepaalde afmetingen overschrijdt, zal het membraan fysiek niet in staat zijn om de massa van zijn cytoplasma te beperken. Dit zal leiden tot een breuk van het membraan en een verlies van het membraanpotentiaal (waaruit de cel zijn levengevende energie haalt). Als de cel een bepaalde diameter overschrijdt, zou het diffusieproces niet genoeg zuurstof voor metabolische verwerking mogelijk maken om het centrale deel van de cel te bereiken.
Als gevolg hiervan werden in de geschiedenis van de evolutie de eerste 3 miljard jaar voornamelijk geassocieerd met uiterlijk en evolutie van eencellige organismen (bacteriën, algen, protozoa). Het was de oorsprong van meercellige organismen die een alternatieve manier vormden om het membraanoppervlak (dwz het bewustzijnspotentieel) uit te breiden buiten de beperkingen van de enkele cel. Bijgevolg, in wat neerkwam op een derde fase van evolutie, was een toename van de biologische "computer" -kracht (bewustzijn) het gevolg van hetzelfde proces van organiseren in gemeenschappen van hogere orde. In plaats van het bewustzijn van de individuele eukaryote cel te vergroten, betrof de derde fase van de evolutie het ordenen van individuele eukaryote cel 'chips' tot interactieve assemblages.
Deze "fasering" van evolutie lijkt op die welke plaatsvond in de computerindustrie. Texas Instruments heeft de chip ontwikkeld. Individuele fiches vormen het hart van de eenvoudige rekenmachine. Toen er echter veel chips waren geïntegreerd en met elkaar verbonden, zorgden ze voor de computer. Toen individuele computers hun maximale vermogen bereikten, werden supercomputers gemaakt door veel computers samen te voegen tot een georganiseerde parallelle verwerkingsgemeenschap. De relatie van de bacterie tot de eukaryote cel komt neer op de relatie van de chip met de computer. De relatie van de eukaryote cel tot het meercellige organisme is dezelfde als de relatie van een individuele computer tot het geheel in een parallel verwerkingsnetwerk.
Bij computers wordt de "kracht" van de machine gemeten in BIT-verwerkingscapaciteiten. In biologische organismen wordt het "bewustzijn" -potentieel weerspiegeld in het aantal en de verscheidenheid aan geïntegreerde IMP-complexen. Aangezien de hoeveelheid IMP's rechtstreeks verband houdt met het "oppervlak", wordt bewustzijn een factor van gedeelde membraanoppervlakken in de meercellige organismen.
Overweeg die oppervlakteverhouding met betrekking tot de evolutie van de hersenen van gewervelde dieren. De eerste hersenen van gewervelde dieren zijn kleine, gladde bollen. Naarmate men de evolutionaire ladder opklimt, worden de hersenen groter en wordt er vervolgens meer oppervlak verkregen door invouwingen van het hersenoppervlak die de karakteristieke sulci (groeven) en gyri (vouwen) van meer geavanceerde hersenen produceren. Interessant is dat als we het bewustzijn in termen van hersenoppervlak beschouwen, mensen op de tweede plaats staan, aangezien bruinvis- en dolfijnhersenen een groter oppervlak hebben.
Er wordt voorgesteld dat mensen, net als eencellige protozoa, een ander evolutionair eindpunt vertegenwoordigen, het hoogste ontwikkelingsniveau voor een meercellige biologische structuur. In een reeks gebeurtenissen die overbodig waren dan die welke plaatsvonden in de vorige twee cycli van evolutie, zette de menselijke evolutie zich voort door een proces van samenvoeging en integratie van individuen in een multi-‘cellulaire’ gemeenschap. In deze gemeenschap die bekend staat als de mensheid, is de rol van elke persoon analoog aan die van een enkele cel in de menselijke constructie. In de globale visie van de aarde als een levend organisme (Gaia), zijn mensen de IMP-equivalenten in het aardmembraan. Mensen, als receptoren en effectoren, verzamelen zich en integreren in netwerken met patronen (gemeenschap) in het omhulsel van de aarde, waarin ze 'signalen' uit de omgeving ontvangen en dienen als schakelmechanismen van de membraanpoorten van de planeet.
Deze studies tonen aan dat de evolutie in het verleden en de toekomst wiskundig gemodelleerd kan worden in de structuur en uitwerking van het celmembraan. De beste manier om een tweedimensionaal membraanoppervlak in een driedimensionale celruimte te organiseren, is door gebruik te maken van fractale geometrie.
In de natuur vertonen de meeste anorganische en organische structuren een "onregelmatig" patroon. Echter, binnen de schijnbare chaos van de onregelmatigheden, merkt men dat de onregelmatige structuren "regelmatig" worden herhaald (dwz ze vertonen een vorm van orde). Het vertakkingspatroon in de tak van een boom is bijvoorbeeld vaak hetzelfde vertakkingspatroon dat wordt waargenomen op de stam van de boom. Het vertakkingspatroon van een grote rivier is identiek aan het vertakkingspatroon dat wordt waargenomen langs de kleinere zijrivieren. Het patroon van takken langs de bronchiën is een herhaling van het patroon van luchtwegtakken langs de kleinste bronchiolen. Vergelijkbare beelden van herhaalde vertakkingspatronen in het lichaam worden onthuld in de arteriële en veneuze bloedvaten en het perifere zenuwstelsel.
De Franse wiskundige Benoit Mandelbrot was de eerste die inzag dat de geometrie van veel van de objecten van de natuur een soortgelijk patroon vertoonde, ongeacht de schaal waarop het werd onderzocht. Hoe meer u de afbeelding vergroot, hoe meer de structuur er hetzelfde uitziet. Mandelbrot introduceerde de term 'gelijkend op zichzelf' om dergelijke objecten te beschrijven. “In 1975 bedacht Mandelbrot het woord fractal als een handig label voor onregelmatige en gefragmenteerde op zichzelf lijkende vormen.
De wiskunde van fractals is verbazingwekkend eenvoudig omdat het bestaat uit het herhalen van "bewerkingen" van optellen en vermenigvuldigen. In het proces wordt het resultaat van de ene bewerking gebruikt als invoer voor de volgende bewerking; het resultaat van die bewerking wordt dan gebruikt als input voor de volgende bewerking, enzovoort. Wiskundig gezien gebruiken alle "bewerkingen" exact dezelfde formule, maar ze moeten miljoenen keren worden herhaald om de oplossing te krijgen. Het handmatige werk en de tijd die nodig was om een fractale vergelijking te voltooien, verhinderden wiskundigen de "kracht" van fractale geometrie te erkennen, totdat de komst van krachtige computers Benoit Mandelbrot in staat stelde deze nieuwe wiskunde te definiëren.
In de klassieke geometrie vertegenwoordigen de punten, lijnen, oppervlakken en kubische structuren alle dimensies uitgedrukt in gehele getallen, respectievelijk 0-, 1-, 2- en 3-dimensies. Fractale geometrie wordt gebruikt om afbeeldingen te modelleren die meer "interdimensionaal" zijn. Een gebogen lijn is bijvoorbeeld een 1-dimensionaal object. Bij fractals kan de curve zo veel zigzaggen dat hij bijna het vlak vult. Als de curve van de lijn relatief eenvoudig is, benadert deze een dimensie van 1. Als de curven van de lijn zo dicht opeengepakt zijn dat ze de ruimte vullen, nadert de lijn 2-dimensies. Fractal Geometry vult de ruimtes tussen de dimensies van hele getallen in.
Een structureel kenmerk van fractals is relatief eenvoudig te begrijpen: fractals vertonen een herhaald patroon van 'structuren' die in elkaar zijn genest. Elke kleinere structuur is een miniatuur, maar niet noodzakelijk een exacte versie van de grotere vorm. Fractale wiskunde benadrukt de relatie tussen de patronen die in het geheel worden gezien en de patronen die in delen van dat geheel worden gezien. Het patroon van twijgen op een tak lijkt bijvoorbeeld op het patroon van takken die zich van de stam vertakken. Fractale objecten kunnen worden weergegeven door een "doos" in een "doos", binnen een "doos", binnen een "doos", enz. Als iemand de parameters van de eerste "doos" kent, krijgt men automatisch de basis patroon dat alle andere (grotere of kleinere) 'dozen' kenmerkt.
Zoals beschreven in het Mathematics of Human Life-artikel van W. Allman (geciteerd in het referentiegedeelte): "Wiskundige studies van fractals laten zien dat de vertakking-binnen-vertakkingstructuur van een fractal de beste manier is om het meeste oppervlak binnen een drie -dimensionale ruimte…. " Hoewel het celmembraan in werkelijkheid een driedimensionaal object is, heeft de moleculaire dubbellaag een constante en uniforme dikte. Hierdoor kan de dikte van het membraan worden genegeerd en kan het membraan worden gemodelleerd als een 3-dimensionale "oppervlakte" -structuur. Aangezien evolutie het modelleren is van het bewustzijn van het membraan (gerelateerd aan het oppervlak), zou de efficiëntie van het modelleren door fractale geometrie hoogstwaarschijnlijk de door de natuur gekozen weerspiegeling zijn.
Het gaat erom niet verstrikt te raken in de wiskunde van het modelleren. Het punt is dat het fractal-model voorspelt dat evolutie gebaseerd zal zijn op een herhaald patroon van 'structuren' die in elkaar genest zijn! Meer specifiek, aangezien het betrekking heeft op een concept van fractale evolutie, "wordt het patroon van het geheel gezien in de delen van het geheel", dit betekent dat het patroon van de mens wordt gezien in de delen (cellen) van de mens. Als men zich bewust is van het patroon waarmee een cel functioneel georganiseerd is, dan krijgt men ook inzicht in de organisatie van een mens. Overweeg dit: de fractale afbeeldingen van kleinere structuren zijn miniaturen van het grotere geheel. Daarom, hoewel de structuur van de mens een zelf-gelijkend beeld is van hun eigen cellen, zou de structuur van de menselijke beschaving een zelf-gelijkende structuur vertegenwoordigen van de samenstellende mensen!
Mensen zijn een fractaal beeld van de samenleving, cellen zijn een fractaal beeld van de mens. In feite zijn cellen ook een fractaal beeld van de samenleving. De fractale aard van evolutie wordt verder geïmpliceerd door de herhaalde, dezelfde patronen die in elk van de drie cycli van evolutie worden waargenomen.