Evolução por BITs e peças: uma introdução à evolução fractal
O limite da membrana que envolve cada célula biológica compreende a base estrutural de um sistema processador biológico (ver artigo: Consciência Celular). Como um processador, os receptores de membrana da célula examinam o ambiente em busca de sinais. Obviamente, o ambiente está inundado de sinais. Se todos os sinais fossem audíveis, o ambiente soaria como um ruído estridente. No entanto, a especificidade de recepção que é característica para cada receptor IMP, permite-lhe distinguir o seu sinal complementar de todo o ruído ambiente confuso. A capacidade da célula de filtrar seletivamente informações úteis do ruído "caótico" assemelha-se à função das transformações de Fourier [processos de filtragem matemática que encontram sinais dentro do que parece ser ruído] em entradas complexas para perceber frequências específicas como sinais informativos. Embora o ambiente seja em certo sentido “caótico”, com centenas e milhares de “sinais” expressos simultaneamente, a célula pode ler seletivamente apenas os sinais que são relevantes para sua existência.
Com base nas características funcionais e estruturais da membrana celular, cada célula (por exemplo, ameba) representa um sistema de microcomputador autoalimentado. Como nos computadores digitais, a potência ou capacidade de manipulação de informações do computador “celular” é determinada pelo número de BITs que ele pode gerenciar. Em computadores, os BITs são complexos de porta / canal; no processador de membrana, os BITs são representados por complexos de receptor / efetor. As moléculas IMP que compreendem os BITs da célula têm parâmetros físicos definidos e, portanto, podem ser "medidas".
A dimensão das proteínas IMP é aproximadamente igual à espessura da membrana. Uma vez que os IMPs, por definição, residem na bicamada da membrana, as proteínas só podem ser organizadas como uma monocamada (o que significa que os IMPs não podem ser empilhados uns sobre os outros). Para usar a metáfora do pão com manteiga e sanduíche de azeitona, existem tantas azeitonas que podem ser colocadas em camadas no pão. Para ter mais azeitonas no sanduíche, é necessário usar uma fatia maior de pão. O mesmo se aplica ao aumento do número de unidades de percepção-IMP na membrana: quanto mais IMPs, maior a área de superfície da membrana necessária para mantê-los. A capacidade de processamento de informações da célula (refletida no número de proteínas de percepção) está diretamente ligada à área de superfície da membrana.
O ponto profundo deste discurso ... Consciência biológica é uma propriedade mensurável, e é diretamente correlacionado com a área de superfície da membrana da célula. Consequentemente, o poder de computação de uma célula é fisicamente determinado por limitações impostas às dimensões celulares.
A primeira fase de evolução da vida dizia respeito ao desenvolvimento e refinamento do "chip" biológico individual do computador, a bactéria primitiva. O tamanho desses organismos primitivos é limitado pelo fato de eles possuírem um esqueleto externo rígido, derivado dos polissacarídeos do glicocálice. A matriz produzida pela ligação cruzada das moléculas de açúcar neste “revestimento” fornece o “esqueleto” protetor da célula, chamado de cápsula. A cápsula apóia fisicamente e protege a membrana fina da célula contra a ruptura sob as tensões da pressão osmótica.
A pressão osmótica é a força gerada pelo desejo da água de se mover através de uma membrana para “equilibrar” a concentração de partículas em cada lado da barreira da membrana. O citoplasma da célula está repleto de partículas em comparação com a água na qual as células vivem. A água do ambiente externo passará pela membrana para diluir a concentração de partículas citoplasmáticas. A célula iria inchar com água e a pressão faria com que a delicada bicamada da membrana se rompesse, matando a célula. O exoesqueleto do glicocálice resiste à pressão osmótica potencialmente fatal.
As bactérias são o equivalente celular dos invertebrados (animais que não possuem um esqueleto de suporte interno (por exemplo, moluscos, insetos, águas-vivas). Embora o esqueleto proteja a bactéria, sua natureza rígida também a limita. O tamanho da célula bacteriana é limitado pelo seu exterior cápsula. A limitação de tamanho restringe a quantidade de membrana que a célula pode possuir. A área de superfície da membrana é proporcional à percepção, com base no número de PIMs que ela pode conter. A cápsula bacteriana limita a evolução da célula, pois há um limite no número de unidades de percepção que a membrana pode conter.
Na verdade, a maior parte da área de superfície da membrana da bactéria é usada para abrigar os complexos IMP necessários para a sobrevivência celular. No entanto, cada bactéria também é capaz de aprender cerca de seis "sinais" ambientais adicionais. Por exemplo, uma bactéria pode adquirir a capacidade de resistir a um antibiótico introduzido no meio ambiente. Ele faz isso criando um receptor de superfície que se liga e inibe as moléculas do antibiótico. O novo receptor é fundamentalmente o equivalente a um “anticorpo” de proteína que nossas células imunológicas criam para neutralizar um antígeno invasivo.
A criação de um novo receptor, por definição, implica que deve haver um novo gene criado para lembrar o código de aminoácidos daquela proteína. Em bactérias, esses "novos" memória os genes estão presentes como pequenos círculos de DNA chamados plasmídeos. Os plasmídeos não estão fisicamente ligados ao cromossomo responsável pela hereditariedade da célula e flutuam livremente no citoplasma. As bactérias são capazes de criar uma média de cerca de seis diferente plasmídeos, cada um derivado de uma "experiência" de aprendizagem única. A limitação do número de plasmídeos que a célula possui não se deve à incapacidade de fazer DNA. Pois a bactéria pode fazer milhares de cópias de qualquer um dos plasmídeos individuais que possui. As limitações devem estar relacionadas ao fato de que cada “novo” complexo de percepção de proteínas requer uma unidade de área de superfície para expressar suas funções. A incapacidade de expandir sua membrana (ou seja, área de superfície) limita a capacidade da bactéria de adquirir novas percepções (consciência).
Quanto mais consciência, maior a capacidade de sobreviver. As limitações para que os indivíduos aumentassem sua consciência levaram a bactérias que viviam em comunidades pouco unidas. Se uma bactéria individual pode “aprender” seis fatos sobre o meio ambiente, então cem bactérias são, coletivamente, capazes de conhecer 600 fatos. As bactérias desenvolveram mecanismos para transferir cópias de seus plasmídeos para outras bactérias da comunidade. Ao transferir cópias de seu DNA “aprendido”, eles compartilham sua “consciência” com a comunidade. As bactérias podem transferir um plasmídeo para outro indivíduo. A bactéria receptora pode usar a “consciência” do plasmídeo doado durante sua vida, mas geralmente não pode passar cópias do plasmídeo para sua progênie de células-filhas.
As bactérias possuem projeções semelhantes a tentáculos que se estendem de sua superfície externa chamadas pili. Quando os pelos de duas bactérias se tocam, as membranas dos pelos podem se fundir momentaneamente, unindo o citoplasma das duas células. No momento da fusão, as duas bactérias podem trocar cópias de seus plasmídeos. As bactérias também são capazes de reter DNA flutuante livre no ambiente, de modo que os plasmídeos liberados no ambiente, como pode ocorrer quando uma célula morre e seu citoplasma vaza, podem ser eliminados por outras células. No entanto, o ambiente é difícil para o DNA de flutuação livre e os plasmídeos se decompõem facilmente. Um terceiro meio mais eficaz de distribuir plasmídeos de “consciência” surgiu quando as bactérias aprenderam a empacotar seu DNA de plasmídeo em invólucros protetores de proteína, criando vírus. Os vírus contêm “informações” que são liberadas para outras células individuais no ambiente. Alguns vírus matam as células que os pegam, enquanto outros vírus protegem as células que eles “infectam”. Às vezes, a “informação” afirma a vida, às vezes é letal.
As comunidades bacterianas desenvolveram um meio de aumentar sua sobrevivência ao implantar uma matriz extracelular de polissacarídeo para envolver todas as células da comunidade e “protegê-las” da devastação do ambiente selvagem. As bactérias individuais foram capazes de se mover através de canais “irrigados” dentro da matriz. Os canais também permitiam a comunicação de materiais extracelulares e moléculas de informação, o que proporcionava uma integração comum entre todos os membros da comunidade. A comunidade celular pode ser povoada com uma variedade de espécies bacterianas. Por exemplo, formas de bactérias anaeróbicas com medo de oxigênio podem viver na parte inferior de uma comunidade, enquanto bactérias aeróbias que adoram oxigênio estão presentes em níveis superiores da mesma comunidade. As bactérias dentro da comunidade são prontamente capazes de trocar seu DNA e, ao fazer isso, permitem que os cidadãos celulares adquiram funções especializadas e diferenciadas.
Essas comunidades bacterianas envoltas em matriz são chamadas de biofilmes (veja a ilustração abaixo). Os biofilmes tornaram-se muito importantes, pois agora são reconhecidos por proteger as comunidades bacterianas dos antibióticos. As bactérias que formam as cáries são, na verdade, comunidades de biofilme, que resistem aos nossos esforços para eliminá-las dos dentes. A natureza resistiva e protetora dos biofilmes permitiu que essas comunidades fossem as primeiras formas de vida a deixar o oceano e viver na terra.
Muitos anos atrás, a bióloga Lynn Margulis fundou o conceito de que as mitocôndrias eram organismos semelhantes a bactérias que invadiam o citoplasma de células mais avançadas contendo núcleo, chamadas de eucariotos. No início, suas idéias foram ridicularizadas pelo sistema, mas com o passar dos anos isso se tornou uma crença amplamente aceita. Curiosamente, uma compreensão da natureza comum das bactérias em biofilmes oferece outra interpretação.
A micrografia à esquerda ilustra um exemplo de biofilme em um pulmão humano. O aglomerado bacteriano infeccioso de pseudomonas é envolto em uma matriz extracelular de coloração escura (ver seta) que compreende um biofilme. O encapsulamento dentro da matriz protege as bactérias dos esforços do sistema imunológico para destruí-las. A matriz, feita principalmente de carboidratos, também pode conter as proteínas musculares, actina e miosina, que se encontram ligadas às superfícies externas de algumas bactérias. As proteínas externas actina e miosina permitem que as bactérias se movam dentro da matriz do filme.
A micrografia à direita é a mesma foto, mas com uma “membrana” desenhada ao redor da periferia do filme. Uma membrana ao redor do filme permitiria à comunidade bacteriana controlar com precisão a composição e as características de seu ambiente, um desenvolvimento necessário que aumentaria sua sobrevivência. Este filme modificado se assemelha à anatomia citológica da célula eucariótica evolutivamente mais avançada. Nesse caso, a bactéria representaria as organelas da célula e a matriz do filme representaria o citoplasma rico no citoesqueleto entre as organelas. Curiosamente, o citoplasma dos eucariotos possui muitos dos mesmos componentes estruturais que caracterizam a matriz do biofilme. Isso é especialmente verdadeiro para a actina e a miosina, que permitem que as bactérias se movam no filme da mesma maneira que as organelas se movem no citoplasma.
O ponto desta discussão é que a célula eucariótica mais avançada, ao invés de ser uma entidade única evoluída, pode representar a evolução de uma comunidade bacteriana. Uma célula representaria uma comunidade perfeitamente sintonizada de procariotos que se diferenciaram em organelas. Tal hipótese apóia as crenças de biólogos pleomórficos, um pequeno mas firme grupo de cientistas que acreditam que microorganismos relacionados a doenças podem representar formas de vida que surgiram, germinadas, de células mortas. Faz sentido.
Independentemente disso, a segunda fase da evolução viu a origem da célula eucariótica (nucleada) mais sofisticada. No entanto, a evolução cessou quando a célula nucleada atingiu seu tamanho específico máximo, pois existem limitações físicas impostas à vida celular. Se a célula tentar expandir sua área de superfície além de um determinado tamanho, a célula se tornará instável, pois se exceder certas dimensões, a membrana não será fisicamente capaz de restringir a massa de seu citoplasma. Isso levará à ruptura da membrana e à perda do potencial de membrana (do qual a célula retira sua energia vital). Além disso, se a célula exceder um determinado diâmetro, o processo de difusão não permitiria oxigênio suficiente para o processamento metabólico atingir a porção central da célula.
Como resultado, na história da evolução, os primeiros 3 bilhões de anos foram principalmente associados ao aparecimento e evolução de organismos unicelulares (bactérias, algas, protozoários). Foi a origem dos organismos multicelulares que representaram uma forma alternativa de expandir a área da superfície da membrana (ou seja, o potencial de percepção) além das limitações de uma única célula. Consequentemente, no que representou uma terceira fase da evolução, um aumento no poder biológico do “computador” (consciência) resultou do mesmo processo de organização em comunidades de ordem superior. Em vez de aumentar a consciência da célula eucariótica individual, a terceira fase da evolução preocupou-se com a ordenação de 'chips' de células eucarióticas individuais em montagens interativas.
Esse “faseamento” da evolução assemelha-se ao que ocorreu na indústria de computadores. Texas Instruments desenvolveu o chip. Fichas individuais são o coração de uma calculadora simples. No entanto, quando muitos chips foram integrados e ligados entre si, eles forneceram para o computador. Quando os computadores individuais atingiram sua potência máxima, os supercomputadores foram criados pela montagem de muitos computadores em uma "comunidade" organizada de processamento paralelo. A relação da bactéria com a célula eucariótica equivale à relação do chip com o computador. A relação da célula eucariótica com o organismo multicelular é a mesma que a relação de um computador individual com o todo em uma rede de processamento paralelo.
Em computadores, a “potência” da máquina é medida em capacidades de manuseio de BIT. Em organismos biológicos, o potencial de “consciência” se reflete no número e variedade de complexos IMP integrados. Uma vez que a quantidade de IMPs está diretamente ligada à “área de superfície”, a consciência torna-se um fator de superfícies de membrana compartilhadas nos organismos multicelulares.
Considere essa relação de área de superfície em relação à evolução do cérebro dos vertebrados. Os cérebros dos primeiros vertebrados são esferas pequenas e lisas. À medida que se sobe na escada evolutiva, os cérebros se tornam maiores e mais área de superfície é subsequentemente derivada das dobras da superfície do cérebro que produzem os sulcos (sulcos) e giros (dobras) característicos de cérebros mais avançados. Curiosamente, ao considerar a consciência em termos de superfície do cérebro, os humanos estão em segundo lugar, já que os cérebros de botos e golfinhos têm uma área de superfície maior.
É proposto que, semelhante aos protozoários unicelulares, os seres humanos representam outro ponto final evolutivo, o nível mais alto de desenvolvimento para uma estrutura biológica multicelular. Em uma série de eventos redundantes aos que ocorreram nos dois ciclos evolutivos anteriores, a evolução humana continuou por meio de um processo de montagem e integração de indivíduos em uma comunidade multicelular. Nesta comunidade conhecida como humanidade, o papel de cada pessoa é análogo ao de uma única célula na construção humana. Na visão global da Terra como um organismo vivo (Gaia), os humanos são os equivalentes IMP na membrana da superfície da Terra. Os humanos, como receptores e efetores, se reúnem e se integram em redes padronizadas (comunidade) no envelope da Terra, onde recebem “sinais” ambientais e servem como mecanismos de comutação dos portões de membrana do planeta.
Esses estudos revelam que a evolução passada e futura pode ser modelada matematicamente na estrutura e na elaboração da membrana celular. A melhor maneira de organizar a área da superfície da membrana bidimensional em um espaço celular tridimensional é empregar a geometria fractal.
Na natureza, a maioria das estruturas inorgânicas e orgânicas expressam um padrão “irregular”. No entanto, dentro do caos aparente das irregularidades, verifica-se que as estruturas irregulares se repetem “regularmente” (ou seja, mostram uma forma de ordem). Por exemplo, o padrão de ramificação no galho de uma árvore costuma ser o mesmo padrão de ramificação observado no tronco da árvore. O padrão de ramificação de um grande rio é idêntico ao padrão de ramificação observado ao longo de seus tributários menores. O padrão de ramos ao longo do brônquio é uma reiteração do padrão de ramos das vias aéreas ao longo dos bronquíolos menores. Imagens semelhantes de padrões de ramificação reiterados no corpo são reveladas nos vasos sanguíneos arteriais e venosos e no sistema nervoso periférico.
O matemático francês Benoit Mandelbrot foi o primeiro a reconhecer que a geometria de muitos dos objetos da Natureza revelava um padrão semelhante, independentemente da escala em que foi examinado. Quanto mais você amplia a imagem, mais a estrutura parece a mesma. Mandelbrot introduziu o termo “auto-semelhante” para descrever tais objetos. “Em 1975, Mandelbrot cunhou a palavra fractal como um rótulo conveniente para formas auto-semelhantes irregulares e fragmentadas.
A matemática dos fractais é incrivelmente simples, pois consiste em repetir “operações” de adições e multiplicações. No processo, o resultado de uma operação é usado como entrada para a operação subsequente; o resultado dessa operação é então usado como entrada para a próxima operação e assim por diante. Matematicamente, todas as “operações” usam exatamente a mesma fórmula, porém, devem ser repetidas milhões de vezes para se obter a solução. O trabalho manual e o tempo necessários para completar uma equação fractal impediam os matemáticos de reconhecer o “poder” da geometria fractal até que o advento de computadores poderosos permitiu que Benoit Mandelbrot definisse essa nova matemática.
Na geometria clássica, os pontos, linhas, áreas de superfície e estruturas cúbicas representam dimensões expressas em inteiros inteiros, 0-, 1-, 2- e 3-dimensões, respectivamente. A geometria fractal é empregada para modelar imagens que são mais "interdimensionais". Por exemplo, uma linha curva é um objeto unidimensional. Nos fractais, a curva pode ziguezaguear tanto que chega perto de preencher o plano. Se a curva da linha é relativamente simples, ela está próxima de uma dimensão de 1. Se as curvas da linha são tão compactadas que preenchem o espaço, a linha se aproxima das 1 dimensões. A geometria fractal preenche os espaços entre as dimensões de números inteiros.
Uma característica estrutural dos fractais é relativamente simples de entender: os fractais exibem um padrão reiterado de "estruturas" aninhadas umas dentro das outras. Cada estrutura menor é uma miniatura, mas não necessariamente uma versão exata da forma maior. A matemática fractal enfatiza a relação entre os padrões vistos no todo e os padrões vistos nas partes desse todo. Por exemplo, o padrão de galhos em um galho se assemelha ao padrão de galhos se ramificando do tronco. Os objetos fractais podem ser representados por uma "caixa" dentro de uma "caixa", dentro de uma "caixa", dentro de uma "caixa", etc. Se alguém conhece os parâmetros da primeira "caixa", então é fornecido automaticamente com o básico padrão que caracteriza todas as outras "caixas" (maiores ou menores).
Conforme descrito no artigo Mathematics of Human Life de W. Allman (citado na seção de referência), "Estudos matemáticos de fractais revelam que a estrutura ramificada dentro de um fractal representa a melhor maneira de obter o máximo de área de superfície em três espaço dimensional ... ” Embora a membrana celular seja na realidade um objeto tridimensional, sua bicamada molecular possui uma espessura constante e uniforme. Como tal, a espessura da membrana pode ser ignorada e a membrana pode ser modelada como uma estrutura de "área de superfície" bidimensional. Visto que a evolução é a modelagem da consciência da membrana (relacionada à sua área de superfície), a eficiência da modelagem fornecida pela geometria fractal provavelmente refletiria aquela escolhida pela Natureza.
A questão não é se deixar levar pela matemática da modelagem. A questão é que o modelo fractal prediz que a evolução será baseada em um padrão reiterado de “estruturas aninhadas uma dentro da outra! Mais especificamente, no que se refere a um conceito de Evolução Fractal, “o padrão do todo é visto nas partes do todo”, isso significa que o padrão do humano é visto nas partes (células) do humano. Se alguém está ciente do padrão pelo qual uma célula é organizada funcionalmente, também é fornecido um insight sobre a organização de um ser humano. Considere o seguinte: as imagens fractais de estruturas menores são miniaturas de um todo maior. Portanto, enquanto a estrutura dos humanos é uma imagem auto-semelhante de suas próprias células, a estrutura da civilização humana representaria uma estrutura auto-semelhante de seus componentes humanos!
Os humanos são uma imagem fractal da sociedade, as células são uma imagem fractal do ser humano. Na verdade, as células também são uma imagem fractal da sociedade. A natureza fractal da evolução está ainda mais implícita nos padrões reiterados e iguais observados em cada um dos três ciclos de evolução.