Evolusjon av BITs and Pieces: En introduksjon til fraktal evolusjon
Membrangrensen som omslutter hver biologiske celle består av det strukturelle grunnlaget for et biologisk prosessorsystem (se artikkel: Cellular Consciousness). Som prosessor skanner cellens membranreseptorer miljøet for signaler. Åpenbart er miljøet oversvømmet i signaler. Hvis alle signalene var hørbare, ville miljøet høres ut som blaring støy. Imidlertid, spesifisiteten til mottak som er karakteristisk for hver reseptor IMP, gjør det mulig å skille det komplementære signalet ut av all den rotete omgivelsesstøyen. Cellens evne til å selektivt filtrere nyttig informasjon ut av "kaotisk" støy, ligner funksjonen til Fourier-transformasjoner [matematiske filtreringsprosesser som finner signaler innenfor det som ser ut til å være støy] på komplekse innganger for å oppfatte spesifikke frekvenser som informasjonssignaler. Mens miljøet på en måte er "kaotisk", med hundrevis og tusenvis av samtidig uttrykte "signaler", kan cellen bare lese de signalene som er relevante for dens eksistens.
Basert på de funksjonelle og strukturelle egenskapene til cellemembranen, representerer hver enkelt celle (f.eks. Amøbe) en selvdrevet mikrodatasystem. Som på digitale datamaskiner bestemmes kapasiteten til "mobil" datamaskinen av antall BIT-er den kan administrere. I datamaskiner er BIT-ene gate / kanal-komplekser, i membranprosessoren er BIT-ene representert av reseptor / effektor-komplekser. IMP-molekylene som inneholder cellens BIT-er, har definerte fysiske parametere og kan derfor måles.
Dimensjonen til IMP-proteinene er omtrent den samme som tykkelsen på membranen. Siden IMP-ene per definisjon ligger innenfor membranets tolag, kan proteinene bare ordnes som et monolag (noe som betyr at IMP-ene ikke kan stables på hverandre). For å bruke brød- og smør- og oliven sandwichmetaforen er det bare så mange oliven som kan legges på brødet. Å ha flere oliven i sandwichen krever bruk av en større brødskive. Det samme gjelder for å øke antall persepsjon-IMP-enheter i membranen: jo flere IMP-er, jo mer overflateareal av membran kreves for å holde dem. Cellens informasjonsbehandlingsevne (reflektert i antall persepsjonsproteiner) er direkte knyttet til overflaten av membranen.
Det dype poenget med denne diskursen ... Biologisk bevissthet er en målbar egenskap, og er direkte korrelert med overflatearealet til cellens membran. Følgelig blir beregningskraften til en celle fysisk bestemt av begrensninger pålagt celledimensjoner.
De første fase av evolusjonen av livet gjaldt utvikling og raffinement av den enkelte biologiske datamaskin 'chip', den primitive bakterien. Størrelsen på disse primitive organismer er begrenset av det faktum at de har et stivt ytre skjelett, avledet fra polysakkaridene i glykokalysen. Matrisen som produseres ved tverrbinding av sukkermolekylene i denne "strøk" sørger for cellens beskyttende "skjelett", kalt en kapsel. Kapselen støtter fysisk og beskytter cellens tynne membran mot å sprekke under belastningene av osmotisk trykk.
Osmotisk trykk er kraften som genereres av ønsket om vann å bevege seg gjennom en membran for å "balansere" konsentrasjonen av partikler på hver side av membranbarrieren. Cellens cytoplasma er fullpakket med partikler sammenlignet med vannet der cellene lever. Vann fra det ytre miljøet vil passere gjennom membranen for å fortynne konsentrasjonen av cytoplasmatiske partikler. Cellen ville hovne opp med vann og trykket ville føre til at det delikate membran-dobbeltlaget sprekker og dreper cellen. Glykokalyks eksoskelett motstår livstruende osmotisk trykk.
Bakterier er den cellulære ekvivalenten til virvelløse dyr (dyr som ikke har et indre støttende skjelett (f.eks. Muslinger, insekter, geléfisk). Mens skjelettet beskytter bakterien, begrenser dets stive natur den også. Bakteriecellestørrelsen er begrenset av dens ytre Størrelsesbegrensning begrenser mengden membran cellen kan ha. Membranoverflate er proporsjonal med bevissthet, basert på antall IMPer den kan inneholde. Bakteriekapslen begrenser celleutviklingen siden det er et tak på antall enheter av oppfatning membranen kan inneholde.
Faktisk brukes det meste av bakteriens membranoverflate til å huse de nødvendige IMP-kompleksene som kreves for celleoverlevelse. Imidlertid er hver bakterie i stand til å lære om ytterligere seks miljømessige "signaler". For eksempel kan en bakterie tilegne seg evnen til å motstå et antibiotikum introdusert i miljøet. Det gjør det ved å skape en overflatereseptor som binder og hemmer molekylene til antibiotika. Den nye reseptoren er i utgangspunktet ekvivalent med et protein "antistoff" som immuncellene våre skaper for å nøytralisere et invasivt antigen.
Opprettelsen av en ny reseptor innebærer per definisjon at det må være et nytt gen opprettet for å huske aminosyrekoden for det proteinet. I bakterier er disse "nye" minne gener er til stede som små sirkler av DNA som kalles plasmider. Plasmidene er ikke fysisk festet til celleens arvgivende kromosom og flyter fritt i cytoplasmaet. Bakterier er i stand til å skape et gjennomsnitt på omtrent seks forskjellig plasmider, hver avledet fra en unik læringsopplevelse. Begrensningen på antall plasmider som cellen besitter, skyldes ikke manglende evne til å lage DNA. For bakterien kan lage tusenvis av kopier av noen av de individuelle plasmidene den har. Begrensningene må være relatert til det faktum at hvert “nye” proteinoppfatningskompleks krever en overflatenhet for å uttrykke sine funksjoner. Manglende evne til å utvide membranen (dvs. overflateareal) begrenser bakteriens evne til å tilegne seg nye oppfatninger (bevissthet).
Jo mer bevissthet jo større er evnen til å overleve. Begrensninger for enkeltpersoner som øker bevisstheten, førte til at bakterier lever i løststrikkede samfunn. Hvis en enkelt bakterie kan "lære" seks fakta om miljøet, er hundre bakterier samlet i stand til å være klar over 600 fakta. Bakterier utviklet mekanismer for å overføre kopier av plasmider til andre bakterier i samfunnet. Ved å overføre kopier av deres "lærte" DNA, deler de sin "bevissthet" med samfunnet. Bakterier kan overføre et plasmid til et annet individ. Mottakerbakterien kan bruke det donerte plasmidets "bevissthet" i løpet av livet, men kan vanligvis ikke overføre kopier av plasmidet til dattercellens avkom.
Bakterier har fine tentakellignende fremspring som strekker seg fra ytre overflate, kalt pili. Når pilen fra to bakterier berører, kan pilusmembranene smelter sammen og forbinde cytoplasmaet til de to cellene sammen. I fusjonsøyeblikket kan de to bakteriene bytte kopier av plasmidene sine. Bakterier er også i stand til å skjerpe fritt flytende DNA i miljøet, slik at plasmider som slippes ut i miljøet, som kan oppstå når en celle dør og dens cytoplasma lekker ut, kan bli renset av andre celler. Imidlertid er miljøet tøft mot fritt flytende DNA, og plasmidene brytes lett ned. Et tredje, mer effektivt middel for å distribuere "bevissthetsplasmider" oppstod da bakterier lærte hvordan de skulle pakke plasmid-DNA i beskyttende proteinskaller, og skape virus. Virus inneholder “informasjon” som frigjøres til andre individuelle celler i miljøet. Noen virus dreper cellene som plukker dem opp, mens andre virus beskytter cellene de "infiserer". Noen ganger er ”informasjon” livsbekreftende, noen ganger er det dødelig.
Bakteriesamfunn utviklet et middel for å øke deres overlevelse ved å distribuere en ekstracellulær polysakkaridmatrise for å omslutte alle cellene i samfunnet og "beskytte" dem mot herjingen i det ville miljøet. Individuelle bakterier var i stand til å bevege seg gjennom "vanningskanaler" i matrisen. Kanalene tillot også kommunikasjon av ekstracellulære materialer og informasjonsmolekyler, som ga en felles integrasjon mellom alle medlemmene i samfunnet. Cellesamfunnet kan være befolket med en rekke bakteriearter. For eksempel kan oksygenfryktige anaerobe former for bakterier leve i bunnen av et samfunn, mens oksygenelskende aerobe bakterier er til stede i øvre nivåer i samme samfunn. Bakterier i samfunnet er lett i stand til å utveksle DNA, og på den måten gjøre det mulig for mobilborgerne å tilegne seg spesialiserte, differensierte funksjoner.
Disse matrisekapslede bakteriesamfunnene kalles biofilm (se illustrasjonen nedenfor). Biofilm har blitt veldig viktig siden de nå er anerkjent for å beskytte bakteriesamfunn mot antibiotika. Bakteriene som danner tannhulrom er faktisk biofilmsamfunn, som motstår vår innsats for å skure dem fra tennene. Den motstandsdyktige og beskyttende naturen til biofilmene gjorde at disse samfunnene kunne være de første livsformene som forlot havet og bodde på landet.
For mange år siden grunnla biolog Lynn Margulis konseptet om at mitokondrier var bakterielignende organismer som invaderte cytoplasmaet til mer avanserte kjerneholdige celler kalt eukaryoter. Først ble hennes ideer latterliggjort av etableringen, men gjennom årene har det blitt en allment akseptert tro. Interessant, en forståelse av den felles naturen til bakterier i biofilm gir en annen tolkning.
Mikrografen til venstre illustrerer et eksempel på en biofilm i en menneskelig lunge. Den smittsomme pseudomonas bakterieklumpen er innkapslet i en mørk flekker ekstracellulær matrise (se pil) som består av en biofilm. Innkapsling i matrisen beskytter bakteriene mot immunforsvarets anstrengelser for å ødelegge dem. Matrisen, hovedsakelig laget av karbohydrater, kan også inneholde muskelproteinene, actin og myosin, som er funnet bundet til de ytre overflatene til noen bakterier. De ytre aktin- og myosinproteinene gjør det mulig for bakteriene å bevege seg i filmens matrise.
Mikrografen til høyre er det samme bildet, men med en "membran" tegnet rundt filmens periferi. En membran rundt filmen vil gjøre det mulig for bakteriesamfunnet å kontrollere sammensetningen og karakteren av miljøet sitt, en nødvendig utvikling som vil forbedre deres overlevelse. Denne modifiserte filmen ligner den cytologiske anatomien til den evolusjonært mer avanserte eukaryote cellen. I dette tilfellet vil bakteriene representere cellens organeller, og filmens matrise vil representere det cytoskjelettrike cytoplasmaet mellom organellene. Interessant nok har eukaryotens cytoplasma mange av de samme strukturelle komponentene som kjennetegner biofilmens matrise. Dette gjelder spesielt aktin og myosin som gjør det mulig for bakteriene å bevege seg i filmen på samme måte som organeller beveger seg i cytoplasmaet.
Poenget med denne diskusjonen er at den mer avanserte eukaryote cellen, i stedet for å være en utviklet enkelt enhet, kan representere utviklingen av et bakteriesamfunn. En celle ville representere et finjustert samfunn av prokaryoter som har differensiert seg til organeller. En slik hypotese støtter troen fra pleomorfe biologer, en liten, men trofast gruppe forskere som tror sykdomsrelaterte mikroorganismer kan representere livsformer som oppsto, avstammet fra døende celler. Gir mening.
Uansett så den andre fasen av evolusjonen opprinnelsen til den mer sofistikerte eukaryote (kjernefysiske) cellen. Imidlertid opphørte evolusjonen da den kjernefysiske cellen nådde sin maksimale spesifikke størrelse, for det er fysiske begrensninger pålagt cellelivet. Hvis cellen forsøker å utvide overflatearealet utover en gitt størrelse, vil cellen bli ustabil, for hvis den overskrider visse dimensjoner, vil ikke membranen fysisk være i stand til å begrense massen av cytoplasmaet. Dette vil føre til et brudd på membranen og et tap av membranpotensialet (hvorfra cellen henter sin livgivende energi). Også, hvis cellen overstiger en viss diameter, ville ikke diffusjonsprosessen muliggjort nok oksygen til metabolsk prosessering til å nå den sentrale delen av cellen.
Som et resultat, i evolusjonens historie, var de første 3 milliarder årene primært assosiert med utseende og evolusjon encellede organismer (bakterier, alger, protozoer). Det var opprinnelsen til flercellede organismer som representerte en alternativ måte å utvide membranoverflatearealet (dvs. bevissthetspotensial) utover begrensningene til enkeltcellen. Følgelig, i det som utgjorde en tredje fase av evolusjonen, resulterte en økning i biologisk "datamaskinkraft" (bevissthet) fra den samme prosessen med å organisere seg i samfunn med høyere orden. I stedet for å øke bevisstheten om den enkelte eukaryote celle, var den tredje evolusjonsfasen opptatt av bestillingen av individuelle eukaryote "chips" i interaktive samlinger.
Denne "fasingen" av evolusjonen ligner den som skjedde i dataindustrien. Texas Instruments utviklet brikken. Individuelle sjetonger er hjertet i den enkle kalkulatoren. Men når mange sjetonger ble integrert og koblet sammen, sørget de for datamaskinen. Da enkelte datamaskiner nådde maksimal effekt, ble superdatamaskiner opprettet ved å samle mange datamaskiner i et organisert "fellesskap" med parallellbehandling. Bakteriens forhold til den eukaryote cellen tilsvarer brikkens forhold til datamaskinen. Den eukaryote cellens forhold til den flercellede organismen er den samme som den enkelte datamaskins forhold til helheten i et parallellbehandlingsnettverk.
På datamaskiner måles "kraften" til maskinen i BIT-kapasitet. I biologiske organismer gjenspeiles potensialet for "bevissthet" i antall og mangfold av integrerte IMP-komplekser. Siden mengden IMP er direkte knyttet til "overflateareal", blir bevissthet en faktor for delte membranoverflater i flercellede organismer.
Tenk på overflatearealforholdet når det gjelder evolusjon av vertebrate hjerner. De første virveldyr hjerner er små, glatte kuler. Når man stiger opp den evolusjonære stigen, blir hjernen større, og mer overflateareal blir deretter avledet fra infoldinger av hjernens overflate som produserer de karakteristiske sulci (sporene) og gyri (foldene) av mer avanserte hjerner. Interessant, når man vurderer bevissthet når det gjelder hjerneoverflate, er mennesker på andreplass siden marsvin og delfinhjerner har større overflate.
Det foreslås at mennesker i likhet med encellede protozoer representerer et annet evolusjonært endepunkt, det høyeste utviklingsnivået for en multicellular biologisk struktur. I en rekke hendelser som var overflødige med de som skjedde i de to foregående evolusjonssyklusene, fortsatte menneskelig evolusjon gjennom en prosess med samling og integrering av individer i et multi- “cellulært” samfunn. I dette samfunnet kjent som menneskeheten, er hver persons rolle analog med den for en enkelt celle i den menneskelige konstruksjonen. I det globale synet på jorden som en levende organisme (Gaia), er mennesker IMP-ekvivalenter i jordens overflatemembran. Mennesker, som reseptorer og effektorer, samles og integreres i mønstrede nettverk (samfunn) i jordens konvolutt der de mottar miljøsignaler og fungerer som koblingsmekanismer for planetens membranporter.
Disse studiene avslører at fortid og fremtidig evolusjon kan matematisk modelleres i strukturen og utarbeidelsen av cellemembranen. Den beste måten å organisere todimensjonalt membranoverflate i et tredimensjonalt celleområde er å benytte fraktal geometri.
I naturen uttrykker de fleste uorganiske og organiske strukturer et ”uregelmessig” mønster. Imidlertid, innenfor det tilsynelatende kaoset med uregelmessighetene, finner man at de uregelmessige strukturene "regelmessig" gjentas (dvs. de viser en form for orden). For eksempel er mønsteret av forgrening i et trekvist ofte det samme forgreningsmønsteret som observeres på stammen. Mønsteret for forgrening av en større elv er identisk med forgreningsmønsteret observert langs de mindre sideelvene. Mønsteret av grener langs bronkien er en gjentakelse av mønsteret av luftveisgrener langs de minste bronkiolene. Lignende bilder av gjentatte forgreningsmønstre i kroppen blir avslørt i arterielle og venøse blodkar og perifere nervesystem.
Den franske matematikeren Benoit Mandelbrot var den første til å innse at geometrien til mange av naturens gjenstander avslørte et lignende mønster uavhengig av skalaen den ble undersøkt på. Jo mer du forstørrer bildet, jo mer ser strukturen ut den samme. Mandelbrot introduserte begrepet "selvlignende" for å beskrive slike gjenstander. ”I 1975 laget Mandelbrot ordet fraktal som en praktisk etikett for uregelmessige og fragmenterte selvlignende former.
Matematikken til fraktaler er utrolig enkel ved at den består av å gjenta “operasjoner” av tillegg og multiplikasjon. I prosessen blir resultatet av en operasjon brukt som inngang for den påfølgende operasjonen; resultatet av denne operasjonen blir deretter brukt som inngang for neste operasjon, og så videre. Matematisk bruker alle “operasjonene” nøyaktig samme formel, men de må gjentas millioner av ganger for å få løsningen. Manuell arbeidskraft og tid som kreves for å fullføre en fraktalligning forhindret matematikere i å gjenkjenne "kraften" til Fractal Geometry til fremkomsten av kraftige datamaskiner gjorde det mulig for Benoit Mandelbrot å definere denne nye matematikken.
I klassisk geometri representerer punktene, linjene, overflatearealene og kubiske strukturer dimensjoner uttrykt i henholdsvis hele heltall, henholdsvis 0-, 1-, 2- og 3-dimensjoner. Fraktal geometri brukes til å modellere bilder som er mer "interdimensjonale." For eksempel er en buet linje et 1-dimensjonalt objekt. I fraktaler kan kurven sikksakke så mye at den faktisk kommer nær å fylle flyet. Hvis kurven på linjen er relativt enkel, er den nær en dimensjon på 1. Hvis linjens kurver er så tett pakket at de fyller rommet, nærmer linjen seg 2-dimensjoner. Fraktalgeometri fyller ut mellomrommene mellom hele talldimensjoner.
En strukturell karakteristikk av fraktaler er relativt enkel å forstå: fraktaler viser et gjentatt mønster av "strukturer" nestet i hverandre. Hver mindre struktur er en miniatyr, men ikke nødvendigvis en eksakt versjon av den større formen. Fraktal matematikk understreker forholdet mellom mønstrene sett i helheten og mønstrene sett i deler av den helheten. For eksempel ligner mønsteret på kvister på en gren mønsteret av lemmer som forgrener seg fra stammen. Fraktale objekter kan representeres av en "rute" i en "ramme", i en "ramme", i en "ramme" osv. Hvis man kjenner til parametrene til den første "ruten", får man automatisk de grunnleggende mønster som karakteriserer alle de andre (større eller mindre) "boksene".
Som beskrevet i Mathematics of Human Life-artikkelen av W. Allman (sitert i referanseseksjonen), "Matematiske studier av fraktaler avslører at forgrening-innen-forgreningsstrukturen til en fraktal representerer den beste måten å få mest overflateareal innen en tre -dimensjonalt rom ... ” Mens cellemembranen i realiteten er et tredimensjonalt objekt, har dets molekylære dobbeltlag en konstant og jevn tykkelse. Som sådan kan tykkelsen på membranen ignoreres, og membranen kan modelleres som en 3-dimensjonal "overflateareal" -struktur. Siden evolusjon er modelleringen av membranens bevissthet (relatert til overflatearealet), vil effektiviteten av modellering gitt av fraktal geometri mest sannsynlig gjenspeile det som er valgt av naturen.
Poenget er ikke å bli fanget av matematikken i modelleringen. Poenget er at fraktalmodellen forutsier at evolusjon vil være basert på et gjentatt mønster av "strukturer" nestet i hverandre! Mer spesifikt, når det gjelder et konsept med Fractal Evolution, "ses mønsteret av helheten i deler av helheten", dette betyr at mønsteret til mennesket sees i menneskets deler (celler). Hvis man er klar over mønsteret som en celle er funksjonelt organisert etter, får man også innsikt i organiseringen av et menneske. Tenk på dette: fraktalbildene til mindre strukturer er miniatyrer av den større helheten. Derfor, mens strukturen til mennesker er et selvlignende bilde av deres egne celler, vil strukturen til den menneskelige sivilisasjonen representere en selvlignende struktur av dets komponent mennesker!
Mennesker er et fraktalbilde av samfunnet, celler er et fraktalbilde av mennesket. Faktisk er celler også et fraktalt bilde av samfunnet. Evolusjonens fraktale natur antydes videre av de gjentatte, selvsamme mønstrene observert i hver av de tre evolusjonssyklusene.