Ewolucja przez BIT i kawałki: wprowadzenie do ewolucji fraktalnej
Granica błony otaczająca każdą komórkę biologiczną stanowi podstawę strukturalną biologicznego systemu procesora (patrz artykuł: Cellular Consciousness). Jako procesor, receptory błony komórkowej skanują otoczenie w poszukiwaniu sygnałów. Oczywiście otoczenie jest pełne sygnałów. Gdyby wszystkie sygnały były słyszalne, otoczenie brzmiałoby jak ryczący hałas. Jednak specyfika odbioru charakterystyczna dla każdego IMP receptora pozwala na odróżnienie jego sygnału komplementarnego od całego pomieszanego szumu otoczenia. Zdolność komórki do selektywnego odfiltrowywania użytecznych informacji z „chaotycznego” szumu przypomina funkcję transformacji Fouriera [matematycznych procesów filtrowania, które znajdują sygnały w obrębie tego, co wydaje się być szumem] na złożonych wejściach w celu postrzegania określonych częstotliwości jako sygnałów informacyjnych. Podczas gdy środowisko jest w pewnym sensie „chaotyczne”, z setkami i tysiącami jednocześnie wyrażanych „sygnałów”, komórka może wybiórczo odczytywać tylko te sygnały, które są istotne dla jej istnienia.
Opierając się na funkcjonalnych i strukturalnych cechach błony komórkowej, każda pojedyncza komórka (np. Ameba) reprezentuje a system mikrokomputera z własnym zasilaniem. Podobnie jak w komputerach cyfrowych, moc lub zdolność przetwarzania informacji komputera „komórkowego” jest określana przez liczbę jego BITów, którymi może zarządzać. W komputerach BIT są kompleksami brama / kanał, w procesorze membranowym BIT są reprezentowane przez kompleksy receptor / efektor. Cząsteczki IMP zawierające BIT komórki mają zdefiniowane parametry fizyczne i dlatego mogą być „mierzone”.
Wymiar białek IMP jest w przybliżeniu taki sam, jak grubość błony. Ponieważ IMP, z definicji, znajdują się w dwuwarstwie błony, białka mogą być ułożone tylko jako monowarstwy (co oznacza, że IMP nie mogą być ułożone jedna na drugiej). Aby użyć metafory chleb z masłem i kanapką z oliwkami, jest tylko tyle oliwek, które można nałożyć warstwami na chleb. Aby mieć więcej oliwek w kanapce, należy użyć większej kromki chleba. To samo dotyczy zwiększania liczby jednostek percepcyjnych - IMP w błonie: im więcej IMP - tym większa powierzchnia membrany wymagana do ich utrzymania. Zdolność komórki do przetwarzania informacji (odzwierciedlona w liczbie białek percepcyjnych) jest bezpośrednio związana z powierzchnią błony.
Głęboki punkt tego dyskursu… Świadomość biologiczna jest i jest mierzalną własnością bezpośrednio skorelowane z powierzchnią błony komórkowej. W konsekwencji moc obliczeniowa komórki jest fizycznie określana przez ograniczenia nałożone na wymiary komórki.
Połączenia pierwsza faza ewolucji życia dotyczyło rozwoju i udoskonalania indywidualnego biologicznego „chipa” komputera, prymitywnej bakterii. Wielkość tych prymitywnych organizmów ogranicza fakt, że posiadają one sztywny szkielet zewnętrzny, pochodzący z polisacharydów glikokaliksu. Matryca wytworzona przez sieciowanie cząsteczek cukru w tej „powłoce” zapewnia ochronny „szkielet” komórki, zwany kapsułką. Kapsułka fizycznie podtrzymuje i chroni cienką błonę komórki przed pęknięciem pod wpływem ciśnienia osmotycznego.
Ciśnienie osmotyczne to siła generowana przez chęć przejścia wody przez membranę, aby „zrównoważyć” stężenie cząstek po obu stronach bariery membranowej. Cytoplazma komórki jest wypełniona cząstkami w porównaniu z wodą, w której żyją komórki. Woda ze środowiska zewnętrznego przejdzie przez membranę, aby rozcieńczyć stężenie cząstek cytoplazmatycznych. Komórka spuchłaby pod wpływem wody, a ciśnienie spowodowałoby pęknięcie delikatnej dwuwarstwy membrany, zabijając komórkę. Egzoszkielet glikokaliksu jest odporny na zagrażające życiu ciśnienie osmotyczne.
Bakterie są komórkowym odpowiednikiem bezkręgowców (zwierzęta nieposiadające wewnętrznego szkieletu podtrzymującego (np. Małże, owady, galaretki). Szkielet chroni bakterię, ale ogranicza ją również jego sztywny charakter. Wielkość komórki bakteryjnej jest ograniczona przez jej zewnętrzną kapsułka. Ograniczenie rozmiaru ogranicza ilość błony, którą komórka może posiadać. Powierzchnia błony jest proporcjonalna do świadomości, w oparciu o liczbę IMP, które może zawierać. Kapsułka bakteryjna ogranicza ewolucję komórki, ponieważ liczba jednostek jest ograniczona percepcji, którą membrana może zawierać.
W rzeczywistości większość powierzchni błony bakterii jest wykorzystywana do przechowywania niezbędnych kompleksów IMP potrzebnych do przeżycia komórek. Jednak każda bakteria jest również zdolna do uczenia się około sześciu dodatkowych „sygnałów” środowiskowych. Na przykład bakteria może nabrać odporności na antybiotyk wprowadzony do środowiska. Czyni to poprzez tworzenie receptora powierzchniowego, który wiąże i hamuje cząsteczki antybiotyku. Nowy receptor jest zasadniczo odpowiednikiem „przeciwciała” białkowego, które nasze komórki odpornościowe wytwarzają w celu zneutralizowania inwazyjnego antygenu.
Stworzenie nowego receptora z definicji oznacza, że musi powstać nowy gen, który zapamięta kod aminokwasowy tego białka. W bakteriach te „nowe” pamięć geny są obecne jako maleńkie kółka DNA zwane plazmidami. Plazmidy nie są fizycznie przyłączone do chromosomu zapewniającego dziedziczenie komórki i swobodnie unoszą się w cytoplazmie. Bakterie są w stanie wytworzyć średnio około sześciu różne plazmidy, z których każdy pochodzi z unikalnego „doświadczenia” uczenia się. Ograniczenie liczby plazmidów, które posiada komórka, nie wynika z niezdolności do wytwarzania DNA. Bakteria może bowiem wykonać tysiące kopii każdego z posiadanych przez siebie plazmidów. Ograniczenia muszą wynikać z faktu, że każdy „nowy” kompleks percepcji białka wymaga jednostki pola powierzchni, aby wyrazić swoje funkcje. Niemożność rozszerzenia błony (tj. Pola powierzchni) ogranicza zdolność bakterii do nabywania nowych percepcji (świadomości).
Im większa świadomość, tym większa zdolność przetrwania. Ograniczenia w zwiększaniu świadomości jednostek doprowadziły do tego, że bakterie żyją w luźno powiązanych społecznościach. Jeśli pojedyncza bakteria może „nauczyć się” sześciu faktów dotyczących środowiska, to łącznie sto bakterii jest w stanie poznać 600 faktów. Bakterie rozwinęły mechanizmy przenoszenia kopii swoich plazmidów do innych bakterii w społeczności. Przekazując kopie swojego „wyuczonego” DNA, dzielą się swoją „świadomością” ze społecznością. Bakterie mogą przenosić plazmid na innego osobnika. Bakteria biorcy może wykorzystywać „świadomość” dawcy plazmidu w ciągu swojego życia, ale generalnie nie może przekazywać kopii plazmidu potomstwu komórki potomnej.
Bakterie posiadają drobne, przypominające macki wypustki, które wychodzą z ich zewnętrznej powierzchni zwanych pilusami. Kiedy pilusy z dwóch bakterii zetkną się, błony pilusa mogą na chwilę zlewać się, łącząc ze sobą cytoplazmę obu komórek. W momencie fuzji dwie bakterie mogą wymieniać się kopiami swoich plazmidów. Bakterie są również zdolne do usuwania swobodnie unoszącego się DNA w środowisku, więc plazmidy uwalniane do środowiska, co może się zdarzyć, gdy komórka umiera i wycieka jej cytoplazma, mogą zostać zmiatane przez inne komórki. Jednak środowisko jest trudne dla swobodnie unoszącego się DNA, a plazmidy łatwo się rozkładają. Trzeci, bardziej skuteczny sposób dystrybucji plazmidów „świadomościowych” powstał, gdy bakterie nauczyły się, jak pakować swoje plazmidowe DNA do ochronnych powłok białkowych, tworząc wirusy. Wirusy zawierają „informacje”, które są uwalniane do innych pojedynczych komórek w środowisku. Niektóre wirusy zabijają komórki, które je zbierają, podczas gdy inne wirusy chronią komórki, które „zakażają”. Czasami „informacja” afirmuje życie, czasami jest zabójcza.
Społeczności bakteryjne wyewoluowały sposób na zwiększenie ich przeżywalności poprzez rozmieszczenie polisacharydowej macierzy zewnątrzkomórkowej, aby otoczyć wszystkie komórki w społeczności i „chronić” je przed spustoszeniami w dzikim środowisku. Poszczególne bakterie były w stanie przemieszczać się przez „nawodnione” kanały w macierzy. Kanały umożliwiły również komunikację materiałów zewnątrzkomórkowych i molekuł informacyjnych, co zapewniło społeczną integrację między wszystkimi członkami społeczności. Społeczność komórkowa może być zasiedlona różnymi gatunkami bakterii. Na przykład beztlenowe formy bakterii obawiające się tlenu mogą żyć na dnie społeczności, podczas gdy tlenowe bakterie kochające tlen są obecne na wyższych poziomach tej samej społeczności. Bakterie w społeczności są w stanie łatwo wymieniać swoje DNA, umożliwiając w ten sposób obywatelom komórkowym nabycie wyspecjalizowanych, zróżnicowanych funkcji.
Te społeczności bakteryjne otoczone macierzą nazywane są biofilmami (patrz ilustracja poniżej). Biofilmy stały się bardzo ważne, ponieważ obecnie uznaje się, że chronią zbiorowiska bakteryjne przed antybiotykami. Bakterie tworzące próchnicę są w rzeczywistości zbiorowiskami biofilmu, które opierają się naszym próbom usunięcia ich z naszych zębów. Oporny i ochronny charakter biofilmów umożliwił tym społecznościom bycie pierwszymi formami życia, które opuściły ocean i zamieszkały na lądzie.
Wiele lat temu biolog Lynn Margulis założył koncepcję, zgodnie z którą mitochondria były organizmami podobnymi do bakterii, które zaatakowały cytoplazmę bardziej zaawansowanych komórek zawierających jądro zwanych eukariotami. Początkowo jej idee były wyśmiewane przez establishment, ale z biegiem lat stało się to powszechnie akceptowanym przekonaniem. Co ciekawe, zrozumienie wspólnego charakteru bakterii w biofilmach daje inną interpretację.
Mikrografia po lewej przedstawia przykład biofilmu w ludzkim płucu. Zakaźna kępka bakterii Pseudomonas jest otoczona macierzą zewnątrzkomórkową zabarwioną na ciemno (patrz strzałka) zawierającą biofilm. Hermetyzacja w macierzy chroni bakterie przed wysiłkami układu odpornościowego, aby je zniszczyć. Macierz, zbudowana głównie z węglowodanów, może również zawierać białka mięśniowe, aktynę i miozynę, które są związane z zewnętrznymi powierzchniami niektórych bakterii. Zewnętrzne białka aktyny i miozyny umożliwiają bakteriom poruszanie się w macierzy filmu.
Mikrografia po prawej to to samo zdjęcie, ale z „membraną” narysowaną wokół obrzeża filmu. Membrana wokół filmu umożliwiłaby społeczności bakteryjnej precyzyjną kontrolę składu i charakteru środowiska, niezbędny rozwój, który zwiększyłby ich przetrwanie. Ten zmodyfikowany film przypomina anatomię cytologiczną ewolucyjnie bardziej zaawansowanej komórki eukariotycznej. W tym przypadku bakterie reprezentowałyby organelle komórki, a macierz filmu reprezentowałaby bogatą w cytoszkielet cytoplazmę między organellami. Co ciekawe, cytoplazma eukariontów posiada wiele takich samych składników strukturalnych, które charakteryzują macierz biofilmu. Dotyczy to zwłaszcza aktyny i miozyny, które umożliwiają bakteriom poruszanie się w błonie w taki sam sposób, w jaki poruszają się organelle w cytoplazmie.
Celem tej dyskusji jest to, że bardziej zaawansowana komórka eukariotyczna, zamiast być wyewoluowaną pojedynczą istotą, może reprezentować ewolucję społeczności bakteryjnej. Komórka reprezentowałaby dobrze dostrojoną społeczność prokariotów, które zróżnicowały się w organelle. Taka hipoteza potwierdza przekonania biologów pleomorficznych, niewielkiej, ale zagorzałej grupy naukowców, którzy uważają, że mikroorganizmy związane z chorobami mogą reprezentować formy życia, które powstały z umierających komórek. Ma sens.
Niezależnie od tego w drugiej fazie ewolucji powstała bardziej wyrafinowana komórka eukariotyczna (jądrzasta). Jednak ewolucja ustała, gdy komórka jądrzasta osiągnęła maksymalny określony rozmiar, ponieważ istnieją fizyczne ograniczenia narzucone na życie komórkowe. Jeśli komórka spróbuje rozszerzyć swoją powierzchnię poza określony rozmiar, stanie się niestabilna, ponieważ jeśli przekroczy pewne wymiary, błona nie będzie fizycznie zdolna do ograniczenia masy swojej cytoplazmy. Doprowadzi to do pęknięcia błony i utraty jej potencjału (z którego komórka czerpie życiodajną energię). Ponadto, jeśli komórka przekroczy określoną średnicę, proces dyfuzji nie zapewni wystarczającej ilości tlenu do przetwarzania metabolicznego, aby dotrzeć do centralnej części komórki.
W rezultacie w historii ewolucji pierwsze 3 miliardy lat związane były przede wszystkim z pojawieniem się i ewolucją organizmów jednokomórkowych (bakterie, glony, pierwotniaki). To pochodzenie organizmów wielokomórkowych stanowiło alternatywny sposób rozszerzania powierzchni błony (tj. Potencjału świadomości) poza ograniczenia pojedynczej komórki. W konsekwencji, w tym, co stanowiło trzecią fazę ewolucji, wzrost biologicznej mocy „komputera” (świadomości) wynikał z tego samego procesu organizowania się w społeczności wyższego rzędu. Zamiast zwiększać świadomość pojedynczej komórki eukariotycznej, trzecia faza ewolucji dotyczyła uporządkowania „chipów” poszczególnych komórek eukariotycznych w interaktywne zespoły.
To „fazowanie” ewolucji przypomina to, co miało miejsce w przemyśle komputerowym. Firma Texas Instruments opracowała chip. Poszczególne żetony są sercem prostego kalkulatora. Jednak gdy wiele układów scalonych było zintegrowanych i połączonych razem, zapewniały one komputer. Kiedy poszczególne komputery osiągały maksymalną moc, superkomputery były tworzone przez połączenie wielu komputerów w zorganizowaną „społeczność” przetwarzającą równolegle. Związek bakterii z komórką eukariotyczną jest równoznaczny ze związkiem chipa z komputerem. Stosunek komórki eukariotycznej do organizmu wielokomórkowego jest taki sam, jak stosunek pojedynczego komputera do całości w sieci przetwarzającej równolegle.
W komputerach „moc” maszyny mierzona jest wydajnością obsługi BIT-ów. W organizmach biologicznych potencjał „świadomości” znajduje odzwierciedlenie w liczbie i różnorodności zintegrowanych kompleksów IMP. Ponieważ ilość IMP jest bezpośrednio związana z „powierzchnią”, świadomość staje się czynnikiem wspólnych powierzchni błon organizmów wielokomórkowych.
Rozważmy związek powierzchni w odniesieniu do ewolucji mózgu kręgowców. Pierwsze mózgi kręgowców to małe, gładkie kule. Gdy ktoś wspina się po drabinie ewolucyjnej, mózgi stają się większe, a następnie więcej powierzchni pochodzi z fałd powierzchni mózgu, które wytwarzają charakterystyczne bruzdy (rowki) i zakręty (fałdy) bardziej zaawansowanych mózgów. Co ciekawe, rozważając świadomość w kategoriach powierzchni mózgu, ludzie są na drugim miejscu, ponieważ mózgi morświnów i delfinów mają większą powierzchnię.
Sugeruje się, że podobnie jak jednokomórkowe pierwotniaki, istoty ludzkie stanowią kolejny ewolucyjny punkt końcowy, najwyższy poziom rozwoju wielokomórkowej struktury biologicznej. W serii wydarzeń niepotrzebnych w porównaniu z tymi, które miały miejsce w poprzednich dwóch cyklach ewolucji, ewolucja człowieka była kontynuowana poprzez proces gromadzenia się i integracji jednostek w wielokomórkową społeczność. W tej społeczności, zwanej ludzkością, rola każdej osoby jest analogiczna do roli pojedynczej komórki w konstrukcji ludzkiej. W globalnym postrzeganiu Ziemi jako żywego organizmu (Gaia), ludzie są odpowiednikami IMP w błonie powierzchniowej Ziemi. Ludzie, jako receptory i efektory, gromadzą się i integrują we wzorzyste sieci (społeczność) w powłoce Ziemi, w której odbierają „sygnały” środowiskowe i służą jako mechanizmy przełączające bram membranowych planety.
Badania te ujawniają, że przeszłą i przyszłą ewolucję można modelować matematycznie w strukturze i opracowaniu błony komórkowej. Najlepszym sposobem uporządkowania dwuwymiarowej powierzchni membrany w trójwymiarową przestrzeń komórki jest zastosowanie geometrii fraktalnej.
W Naturze większość struktur nieorganicznych i organicznych wyraża „nieregularny” wzór. Jednak w pozornym chaosie nieprawidłowości stwierdza się, że nieregularne struktury są „regularnie” powtarzane (tj. Wykazują pewien porządek). Na przykład wzór rozgałęzień na gałęzi drzewa jest często taki sam, jak wzór rozgałęzień obserwowany na pniu drzewa. Wzór rozgałęzień głównej rzeki jest identyczny ze wzorem rozgałęzień obserwowanym wzdłuż jej mniejszych dopływów. Układ gałęzi wzdłuż oskrzeli jest powtórzeniem układu odgałęzień dróg oddechowych wzdłuż najmniejszych oskrzelików. Podobne obrazy powtarzających się rozgałęzień w organizmie ujawniają się w naczyniach tętniczych i żylnych oraz w obwodowym układzie nerwowym.
Francuski matematyk Benoit Mandelbrot jako pierwszy stwierdził, że geometria wielu obiektów Natury ujawnia podobny wzór niezależnie od skali, w jakiej był badany. Im bardziej powiększasz obraz, tym bardziej struktura wygląda tak samo. Mandelbrot wprowadził termin „samopodobieństwo” na określenie takich obiektów. „W 1975 roku Mandelbrot ukuł słowo fraktal jako wygodną etykietę dla nieregularnych i fragmentarycznych samopodobnych kształtów.
Matematyka fraktali jest zadziwiająco prosta, ponieważ polega na powtarzaniu „operacji” dodawania i mnożenia. W tym procesie wynik jednej operacji jest używany jako dane wejściowe dla kolejnej operacji; wynik tej operacji jest następnie używany jako dane wejściowe dla następnej operacji i tak dalej. Matematycznie wszystkie „operacje” wykorzystują dokładnie tę samą formułę, jednak aby uzyskać rozwiązanie, należy je powtórzyć miliony razy. Praca ręczna i czas potrzebny do wykonania równania fraktalnego uniemożliwiły matematykom rozpoznanie „mocy” geometrii fraktalnej do czasu, gdy pojawienie się potężnych komputerów umożliwiło Benoitowi Mandelbrotowi zdefiniowanie tej nowej matematyki.
W klasycznej geometrii wszystkie punkty, linie, pola powierzchni i struktury sześcienne przedstawiają wymiary wyrażone w całkowitych liczbach całkowitych, odpowiednio, 0-, 1-, 2- i 3-wymiarach. Geometria fraktalna jest wykorzystywana do modelowania obrazów, które są bardziej „międzywymiarowe”. Na przykład zakrzywiona linia jest jednowymiarowym obiektem. We fraktalach krzywa może zygzakować tak bardzo, że faktycznie zbliża się do wypełnienia płaszczyzny. Jeśli krzywa linii jest stosunkowo prosta, zbliża się do wymiaru 1. Jeśli krzywe linii są tak ciasno upakowane, że wypełniają przestrzeń, linia zbliża się do 1 wymiarów. Geometria fraktalna wypełnia przestrzenie między wymiarami liczb całkowitych.
Strukturalna charakterystyka fraktali jest stosunkowo łatwa do zrozumienia: fraktale wykazują powtarzalny wzór „struktur” zagnieżdżonych w sobie. Każda mniejsza konstrukcja jest miniaturą, ale niekoniecznie dokładną wersją większej formy. Matematyka fraktalna podkreśla związek między wzorami widzianymi w całości a wzorami widocznymi w częściach tej całości. Na przykład wzór gałązek na gałęzi przypomina wzór gałęzi odchodzących od pnia. Obiekty fraktalne mogą być reprezentowane przez „pudełko” w „pudełku”, w „pudełku”, w „pudełku” itp. Jeśli ktoś zna parametry pierwszego „pudełka”, automatycznie otrzymuje podstawowe wzór, który charakteryzuje wszystkie inne (większe lub mniejsze) „pudełka”.
Jak opisano w artykule Mathematics of Human Life autorstwa W. Allmana (cytowany w części źródłowej): „Matematyczne badania fraktali ujawniają, że struktura rozgałęzienia w rozgałęzieniu fraktala stanowi najlepszy sposób na uzyskanie największej powierzchni w obrębie trzech -przestrzeń wymiarowa… ” Podczas gdy błona komórkowa jest w rzeczywistości obiektem trójwymiarowym, jej dwuwarstwowa molekularna ma stałą i jednorodną grubość. W związku z tym grubość membrany można zignorować, a membranę można modelować jako dwuwymiarową strukturę „powierzchniową”. Ponieważ ewolucja jest modelowaniem świadomości membrany (związanej z jej polem powierzchni), wydajność modelowania zapewniana przez geometrię fraktali najprawdopodobniej odzwierciedlałaby tę wybraną przez Naturę.
Chodzi o to, aby nie dać się złapać matematyce modelowania. Chodzi o to, że model fraktalny przewiduje, że ewolucja będzie oparta na powtarzanym wzorze „struktur” zagnieżdżonych w sobie! Mówiąc dokładniej, w odniesieniu do koncepcji fraktalnej ewolucji „wzór całości jest widoczny w częściach całości”, oznacza to, że wzór człowieka jest widoczny w częściach (komórkach) człowieka. Jeśli ktoś jest świadomy wzoru, według którego komórka jest funkcjonalnie zorganizowana, otrzymuje również wgląd w organizację człowieka. Rozważ to: fraktalne obrazy mniejszych struktur są miniaturami większej całości. Dlatego, podczas gdy struktura człowieka jest samopodobnym obrazem ich własnych komórek, struktura ludzkiej cywilizacji reprezentowałaby samopodobną strukturę ludzi, składających się na nią!
Ludzie to fraktalny obraz społeczeństwa, komórki to fraktalny obraz człowieka. W rzeczywistości komórki są również fraktalnym obrazem społeczeństwa. Fraktalny charakter ewolucji jest dalej implikowany przez powtarzane, takie same wzorce obserwowane w każdym z trzech cykli ewolucji.