Evoluție prin BIT și piese: o introducere în evoluția fractală
Limita membranei care învăluie fiecare celulă biologică cuprinde baza structurală a unui sistem de procesor biologic (vezi articolul: Conștiința celulară). Ca procesor, receptorii de membrană ai celulei scanează mediul pentru semnale. Evident, mediul este inundat de semnale. Dacă toate semnalele ar fi audibile, mediul ar suna ca un zgomot puternic. Cu toate acestea, specificitatea recepției, care este caracteristică fiecărui receptor IMP, îi permite acestuia să distingă semnalul său complementar din tot zgomotul ambiental amestecat. Capacitatea celulei de a filtra selectiv informații utile din zgomotul „haotic” seamănă cu funcția transformărilor Fourier [procese de filtrare matematică care găsesc semnale în ceea ce pare a fi zgomot] pe intrări complexe pentru a percepe frecvențele specifice ca semnale informaționale. În timp ce mediul este într-un sens „haotic”, cu sute și mii de „semnale” exprimate simultan, celula poate citi selectiv doar acele semnale care sunt relevante pentru existența sa.
Pe baza caracteristicilor funcționale și structurale ale membranei celulare, fiecare celulă individuală (de exemplu, ameba) reprezintă o sistem de microcalculator auto-alimentat. Ca și în cazul computerelor digitale, puterea sau capacitatea de gestionare a informațiilor a computerului „celular” este determinată de numărul de BIT-uri pe care le poate gestiona. În computere, BIT-urile sunt complexe poartă/canal, în procesorul cu membrană, BIT-urile sunt reprezentate de complexe receptor/efector. Moleculele IMP care cuprind BIT-urile celulei au parametri fizici definiți și, prin urmare, pot fi „măsurate”.
Dimensiunea proteinelor IMP este aproximativ aceeași cu grosimea membranei. Deoarece IMP, prin definiție, rezidă în stratul dublu al membranei, proteinele pot fi aranjate doar ca un monostrat (înseamnă că IMP-urile nu pot fi stivuite una peste alta). Pentru a folosi metafora sandvișului cu pâine și unt și măsline, există doar atâtea măsline care pot fi stratificate pe pâine. Pentru a avea mai multe măsline în sandviș necesită utilizarea unei felii mai mari de pâine. Același lucru este valabil și pentru creșterea numărului de unități de percepție-IMP din membrană: cu cât sunt mai multe IMP-cu atât este necesară o suprafață mai mare a membranei pentru a le ține. Capacitatea de procesare a informațiilor a celulei (reflectată în numărul de proteine de percepție) este direct legată de suprafața membranei.
Punctul profund al acestui discurs... Conștientizarea biologică este o proprietate măsurabilă și este direct corelat cu suprafaţa membranei celulare. În consecință, puterea de calcul a unei celule este determinată fizic de limitările impuse dimensiunilor celulare.
prima fază a evoluției a vieții a vizat dezvoltarea și rafinarea „cipului” individual al computerului biologic, bacteria primitivă. Dimensiunea acestor organisme primitive este limitată de faptul că posedă un schelet exterior rigid, derivat din polizaharidele glicocalicelor. Matricea produsă prin reticulare a moleculelor de zahăr din acest „înveliș” asigură „scheletul” protector al celulei, numit capsulă. Capsula susține fizic și protejează membrana subțire a celulei împotriva ruperii sub presiunea osmotică.
Presiunea osmotică este forța generată de dorința apei de a trece printr-o membrană pentru a „echilibra” concentrația de particule de pe fiecare parte a barierei membranei. Citoplasma celulei este plină de particule în comparație cu apa în care trăiesc celulele. Apa din mediul extern va trece prin membrană pentru a dilua concentrația de particule citoplasmatice. Celula s-ar umfla cu apă, iar presiunea ar provoca ruperea stratului dublu al membranei, ucigând celula. Exoscheletul glicocalix rezistă presiunii osmotice care pune viața în pericol.
Bacteriile sunt echivalentul celular al nevertebratelor (animalele care nu posedă un schelet de susținere intern (de exemplu, scoici, insecte, meduze). În timp ce scheletul protejează bacteria, natura sa rigidă o limitează și ea. Mărimea celulelor bacteriene este limitată de exteriorul său. capsula. Limitarea dimensiunii limitează cantitatea de membrană pe care o poate poseda celula. Aria suprafeței membranei este proporțională cu conștientizarea, în funcție de numărul de IMP pe care o poate conține. Capsula bacteriană limitează evoluția celulei deoarece există un plafon pentru numărul de unități. de percepţie pe care o poate conţine membrana.
De fapt, cea mai mare parte a suprafeței membranei bacteriei este utilizată pentru a găzdui complexele IMP necesare supraviețuirii celulelor. Cu toate acestea, fiecare bacterie este, de asemenea, capabilă să învețe aproximativ șase „semnale” de mediu suplimentare. De exemplu, o bacterie poate dobândi capacitatea de a rezista unui antibiotic introdus în mediu. Face acest lucru prin crearea unui receptor de suprafață care leagă și inhibă moleculele antibioticului. Noul receptor este în mod fundamental echivalentul unui „anticorp” proteic pe care celulele noastre imunitare îl creează pentru a neutraliza un antigen invaziv.
Crearea unui nou receptor, prin definiție, implică faptul că trebuie să existe o nouă genă creată pentru a reține codul de aminoacizi pentru proteina respectivă. În bacterii, aceste „noi” memorie genele sunt prezente sub formă de cercuri minuscule de ADN numite plasmide. Plasmidele nu sunt atașate fizic de cromozomul care asigură ereditatea celulei și plutesc liber în citoplasmă. Bacteriile sunt capabile să creeze în medie aproximativ șase diferit plasmide, fiecare derivată dintr-o „experiență” unică de învățare. Limitarea numărului de plasmide pe care le posedă celula nu se datorează incapacității de a produce ADN. Pentru că bacteria poate face mii de copii ale oricăreia dintre plasmidele individuale pe care le posedă. Limitările trebuie să fie legate de faptul că fiecare „nou” complex de percepție a proteinelor necesită o unitate de suprafață pentru a-și exprima funcțiile. Incapacitatea de a-și extinde membrana (adică, suprafața) limitează capacitatea bacteriei de a dobândi noi percepții (conștientizare).
Cu cât mai multă conștientizare, cu atât este mai mare capacitatea de a supraviețui. Limitările la creșterea gradului de conștientizare asupra indivizilor au condus la bacteriile care trăiesc în comunități slab împletite. Dacă o bacterie individuală poate „învăța” șase fapte despre mediu, mai mult de o sută de bacterii sunt capabile colectiv să cunoască 600 de fapte. Bacteriile au dezvoltat mecanisme pentru a transfera copii ale plasmidelor lor către alte bacterii din comunitate. Transferând copii ale ADN-ului lor „învățat”, ei își împărtășesc „conștientizarea” comunității. Bacteriile pot transfera o plasmidă la alt individ. Bacteria primitoare poate folosi „conștientizarea” plasmidei donate în timpul vieții sale, dar, în general, nu poate transmite copii ale plasmidei descendenților celulei fiice.
Bacteriile posedă proiecții fine asemănătoare tentaculelor care se extind de la suprafața lor exterioară numite pili. Când pili de la două bacterii se ating, membranele pilus pot fuziona momentan, unind citoplasma celor două celule împreună. În momentul fuziunii, cele două bacterii pot face schimb de copii ale plasmidelor lor. Bacteriile sunt, de asemenea, capabile să scoată ADN-ul care plutește liber în mediu, astfel încât plasmidele eliberate în mediu, așa cum ar putea apărea atunci când o celulă moare și citoplasma ei se scurge, pot fi eliminate de alte celule. Cu toate acestea, mediul este dur cu ADN-ul care plutește liber, iar plasmidele se descompun ușor. Un al treilea mijloc, mai eficient, de distribuire a plasmidelor de „conștientizare” a apărut atunci când bacteriile au învățat cum să-și împacheteze ADN-ul plasmidic în învelișuri proteice protectoare, creând viruși. Virușii conțin „informații” care sunt eliberate către alte celule individuale din mediu. Unii viruși ucid celulele care le preiau, în timp ce alți viruși protejează celulele pe care le „infectează”. Uneori, „informația” afirmă viața, alteori este letală.
Comunitățile bacteriene au dezvoltat un mijloc de a-și crește supraviețuirea prin desfășurarea unei matrice extracelulare polizaharidice care să învelească toate celulele din comunitate și să le „protejeze” de ravagiile mediului sălbatic. Bacteriile individuale au putut să se deplaseze prin canale „irigate” din matrice. De asemenea, canalele au permis o comunicare a materialelor extracelulare și a moleculelor informaționale, ceea ce a asigurat o integrare comună între toți membrii comunității. Comunitatea celulară poate fi populată cu o varietate de specii bacteriene. De exemplu, formele de bacterii anaerobe care se tem de oxigen pot trăi în partea de jos a unei comunități, în timp ce bacteriile aerobe iubitoare de oxigen sunt prezente în nivelurile superioare ale aceleiași comunități. Bacteriile din cadrul comunității sunt ușor capabile să-și schimbe ADN-ul și, astfel, permit cetățenilor celulari să dobândească funcții specializate, diferențiate.
Aceste comunități bacteriene încapsulate în matrice sunt numite biofilme (vezi ilustrația de mai jos). Biofilmele au devenit foarte importante, deoarece acum sunt recunoscute că protejează comunitățile bacteriene de antibiotice. Bacteriile care formează cavitățile dentare sunt de fapt comunități de biofilm, care rezistă eforturilor noastre de a le curăța din dinți. Natura rezistivă și protectoare a biofilmelor a permis acestor comunități să fie primele forme de viață care părăsesc oceanul și trăiesc pe uscat.
Cu mulți ani în urmă, biologul Lynn Margulis a fondat conceptul că mitocondriile erau organisme asemănătoare bacteriilor care invadau citoplasma celulelor mai avansate care conțineau nucleu numite eucariote. La început ideile ei au fost ridiculizate de către instituție, dar de-a lungul anilor a devenit o credință larg acceptată. Interesant este că o înțelegere a naturii comune a bacteriilor din biofilme oferă o altă interpretare.
Micrografia din stânga ilustrează un exemplu de biofilm într-un plămân uman. Aglomerația bacteriană infecțioasă pseudomonas este încapsulată într-o matrice extracelulară cu colorare întunecată (vezi săgeata) care cuprinde un biofilm. Încapsularea în matrice protejează bacteriile de eforturile sistemului imunitar de a le distruge. Matricea, formată în principal din carbohidrați, poate conține și proteinele musculare, actină și miozina, care se găsesc legate de suprafețele exterioare ale unor bacterii. Proteinele externe de actină și miozină permit bacteriilor să se miște în matricea filmului.
Micrografia din dreapta este aceeași imagine, dar cu o „membrană” desenată în jurul periferiei filmului. O membrană în jurul filmului ar permite comunității bacteriene să controleze fin compoziția și caracterul mediului lor, o dezvoltare necesară care le-ar spori supraviețuirea. Acest film modificat seamănă cu anatomia citologică a celulei eucariote mai avansate din punct de vedere evolutiv. În acest caz, bacteriile ar reprezenta organelele celulei, iar matricea filmului ar reprezenta citoplasma bogată în citoscheletice dintre organite. Interesant este că citoplasma eucariotelor posedă multe dintre aceleași componente structurale care caracterizează matricea biofilmului. Acest lucru este valabil mai ales pentru actina și miozina care permit bacteriilor să se miște în film în același mod în care se mișcă organelele în citoplasmă.
Ideea acestei discuții este că celula eucariotă mai avansată, mai degrabă decât o entitate unică evoluată, ar putea reprezenta evoluția unei comunități bacteriene. O celulă ar reprezenta o comunitate fin reglată de procariote care s-au diferențiat în organele. O astfel de ipoteză susține credințele biologilor pleomorfi, un grup mic, dar convins, de oameni de știință care cred că microorganismele legate de boli pot reprezenta forme de viață care au apărut, înmugurite, din celulele pe moarte. Are sens.
Indiferent, a doua fază a evoluției a văzut originea celulei eucariote (nucleate) mai sofisticate. Cu toate acestea, evoluția a încetat când celula nucleată a atins dimensiunea sa specifică maximă, deoarece există limitări fizice impuse vieții celulare. Dacă celula încearcă să-și extindă suprafața dincolo de o dimensiune dată, celula va deveni instabilă, deoarece dacă depășește anumite dimensiuni, membrana nu va fi capabilă fizic să-și constrângă masa citoplasmei. Acest lucru va duce la o ruptură a membranei și o pierdere a potențialului membranei (din care celula își extrage energia dătătoare de viață). De asemenea, dacă celula depășește un anumit diametru, procesul de difuzie nu ar permite suficient oxigen pentru ca procesarea metabolică să ajungă în porțiunea centrală a celulei.
Ca urmare, în istoria evoluției, primele 3 miliarde de ani au fost asociate în primul rând cu apariția și evoluția organismelor unicelulare (bacterii, alge, protozoare). A fost originea organismelor multicelulare care a reprezentat o modalitate alternativă de a extinde suprafața membranei (adică, potențialul de conștientizare) dincolo de limitările unei singure celule. În consecință, în ceea ce a echivalat cu o a treia fază de evoluție, o creștere a puterii (conștientizarea) biologică a „calculatorului” a rezultat din același proces de organizare în comunități de ordin superior. Mai degrabă decât creșterea gradului de conștientizare a celulei eucariote individuale, a treia fază a evoluției a fost preocupată de ordonarea „cipurilor” individuale de celule eucariote în ansambluri interactive.
Această „etapă” a evoluției seamănă cu cea care a avut loc în industria computerelor. Texas Instruments a dezvoltat cipul. Chipurile individuale sunt inima calculatorului simplu. Cu toate acestea, atunci când multe cipuri au fost integrate și conectate împreună, acestea au furnizat computer. Când computerele individuale și-au atins puterea maximă, supercalculatoarele au fost create prin asamblarea multor computere într-o „comunitate” organizată de procesare paralelă. Relația bacteriei cu celula eucariotă este echivalentă cu relația cipului cu computerul. Relația celulei eucariote cu organismul multicelular este aceeași cu relația unui computer individual cu întregul într-o rețea de procesare paralelă.
În computere, „puterea” mașinii este măsurată în capacități de manipulare BIT. În organismele biologice, potențialul de „conștientizare” se reflectă în numărul și varietatea complexelor IMP integrate. Deoarece cantitatea de IMP este direct legată de „suprafața”, conștientizarea devine un factor al suprafețelor membranelor comune în organismele multicelulare.
Luați în considerare această relație de suprafață în ceea ce privește evoluția creierului vertebratelor. Primele creiere de vertebrate sunt sfere mici, netede. Pe măsură ce cineva urcă pe scara evolutivă, creierul devine mai mare și, ulterior, o suprafață mai mare este derivată din pliuri ale suprafeței creierului care produc sulci (caneluri) și gyri (pliuri) caracteristice creierului mai avansat. Interesant este că atunci când luăm în considerare gradul de conștientizare în ceea ce privește suprafața creierului, oamenii sunt pe locul doi, deoarece creierul de marsuin și delfini au o suprafață mai mare.
Se propune ca, similar protozoarelor unicelulare, ființele umane reprezintă un alt punct final evolutiv, cel mai înalt nivel de dezvoltare pentru o structură biologică multicelulară. Într-o serie de evenimente redundante față de cele care au avut loc în cele două cicluri anterioare de evoluție, evoluția umană a continuat printr-un proces de adunare și integrare a indivizilor într-o comunitate multi-„celulară”. În această comunitate cunoscută sub numele de umanitate, rolul fiecărei persoane este analog cu cel al unei singure celule din construcția umană. În viziunea globală a Pământului ca organism viu (Gaia), oamenii sunt echivalentele IMP în membrana suprafeței Pământului. Oamenii, ca receptori și efectori, se adună și se integrează în rețele modelate (comunitate) în învelișul Pământului în care primesc „semnale” de mediu și servesc ca mecanisme de comutare ale porților membranei planetei.
Aceste studii arată că evoluția trecută și viitoare poate fi modelată matematic în structura și elaborarea membranei celulare. Cea mai bună modalitate de a organiza suprafața membranei bidimensionale într-un spațiu celular tridimensional este utilizarea geometriei fractale.
În Natură, majoritatea structurilor anorganice și organice exprimă un model „neregulat”. Cu toate acestea, în haosul aparent al neregulilor, se constată că structurile neregulate se repetă „regulat” (adică arată o formă de ordine). De exemplu, modelul de ramificare în crenguța unui copac este adesea același model de ramificare care se observă pe trunchiul copacului. Modelul de ramificare a unui râu major este identic cu modelul de ramificare observat de-a lungul afluenților săi mai mici. Modelul ramurilor de-a lungul bronhiilor este o reiterare a modelului ramurilor căilor respiratorii de-a lungul celor mai mici bronhiole. Imagini similare ale modelelor de ramificare reiterate în organism sunt dezvăluite în vasele de sânge arteriale și venoase și în sistemul nervos periferic.
Matematicianul francez Benoit Mandelbrot a fost primul care a recunoscut că geometria multor obiecte ale Naturii a dezvăluit un model similar, indiferent de scara pe care a fost examinat. Cu cât măriți mai mult imaginea, cu atât structura pare la fel. Mandelbrot a introdus termenul „auto-similar” pentru a descrie astfel de obiecte. „În 1975, Mandelbrot a inventat cuvântul fractal ca o etichetă convenabilă pentru formele auto-similare neregulate și fragmentate.
Matematica fractalilor este uimitor de simplă prin faptul că constă în repetarea „operațiilor” de adunări și înmulțiri. În acest proces, rezultatul unei operații este utilizat ca intrare pentru operația ulterioară; rezultatul acelei operații este apoi folosit ca intrare pentru următoarea operație și așa mai departe. Matematic, toate „operațiile” folosesc exact aceeași formulă, totuși, ele trebuie repetate de milioane de ori pentru a obține soluția. Munca manuală și timpul necesar pentru a finaliza o ecuație fractală i-au împiedicat pe matematicieni să recunoască „puterea” geometriei fractale până când apariția computerelor puternice i-a permis lui Benoit Mandelbrot să definească această nouă matematică.
În geometria clasică, punctele, liniile, suprafețele și structurile cubice reprezintă toate dimensiunile exprimate în numere întregi, 0-, 1-, 2- și, respectiv, 3-dimensiuni. Geometria fractală este folosită pentru a modela imagini care sunt mai „interdimensionale”. De exemplu, o linie curbă este un obiect unidimensional. În fractali, curba poate zig-zag atât de mult încât de fapt se apropie de umplerea planului. Dacă curba liniei este relativ simplă, este aproape de o dimensiune de 1. Dacă curbele liniei sunt atât de strânse încât umplu spațiul, linia se apropie de 1 dimensiuni. Geometria fractală completează spațiile dintre dimensiunile numerelor întregi.
O caracteristică structurală a fractalilor este relativ simplu de înțeles: fractalii prezintă un model reiterat de „structuri” imbricate unul în celălalt. Fiecare structură mai mică este o miniatură, dar nu neapărat o versiune exactă a formei mai mari. Matematica fractală subliniază relația dintre modelele văzute în întreg și modelele văzute în părți ale acelui întreg. De exemplu, modelul crenguțelor de pe o ramură seamănă cu modelul membrelor care se ramifică din trunchi. Obiectele fractale pot fi reprezentate printr-o „cutie” într-o „cutie”, într-o „cutie”, într-o „cutie” etc. Dacă cineva cunoaște parametrii primei „cutie”, atunci vi se oferă automat model care caracterizează toate celelalte „cutii” (mai mari sau mai mici).
Așa cum este descris în articolul Mathematics of Human Life de W. Allman (citat în secțiunea de referință), „Studiile matematice ale fractalilor dezvăluie că structura ramificată în interiorul ramificației a unui fractal reprezintă cea mai bună modalitate de a obține cea mai mare suprafață într-un interval de trei. - spațiu dimensional...” În timp ce membrana celulară este în realitate un obiect tridimensional, stratul său molecular are o grosime constantă și uniformă. Ca atare, grosimea membranei poate fi ignorată și membrana poate fi modelată ca o structură bidimensională „suprafață”. Deoarece evoluția este modelarea conștientizării membranei (legată de suprafața acesteia), eficiența modelării oferite de geometria fractală ar reflecta cel mai probabil cea aleasă de Natură.
Ideea este să nu te lași prins în matematica modelării. Ideea este că modelul fractal prezice că evoluția se va baza pe un model reiterat de „structuri” imbricate una în alta! Mai precis, deoarece se referă la un concept de Evoluție Fractală, „modelul întregului este văzut în părțile întregului”, aceasta înseamnă că modelul omului este văzut în părțile (celulele) omului. Dacă cineva este conștient de modelul după care o celulă este organizată funcțional, atunci vi se oferă și o perspectivă asupra organizării unui om. Luați în considerare acest lucru: imaginile fractale ale structurilor mai mici sunt miniaturi ale întregului mai mare. Prin urmare, în timp ce structura oamenilor este o imagine auto-similară a propriilor celule, structura civilizației umane ar reprezenta o structură auto-similară a oamenilor săi componente!
Oamenii sunt o imagine fractală a societății, celulele sunt o imagine fractală a omului. De fapt, celulele sunt și o imagine fractală a societății. Natura fractală a evoluției este în continuare implicată de modelele reiterate, identice, observate în fiecare dintre cele trei cicluri de evoluție.