Эволюция по кусочкам и битам: введение в фрактальную эволюцию
Мембранная граница, окружающая каждую биологическую клетку, составляет структурную основу системы биологического процессора (см. Статью «Клеточное сознание»). Как процессор, мембранные рецепторы клетки сканируют окружающую среду на предмет сигналов. Очевидно, что окружающая среда наводнена сигналами. Если бы все сигналы были слышны, окружающая среда звучала бы как ревущий шум. Однако специфика приема, характерная для каждого рецептора IMP, позволяет ему отличать свой дополнительный сигнал от всего беспорядочного окружающего шума. Способность клетки выборочно фильтровать полезную информацию из «хаотического» шума напоминает функцию преобразований Фурье [процессов математической фильтрации, которые находят сигналы внутри того, что кажется шумом] на сложных входных сигналах для восприятия определенных частот как информационных сигналов. В то время как окружающая среда в некотором смысле «хаотична» с сотнями и тысячами одновременно выражаемых «сигналов», клетка может выборочно считывать только те сигналы, которые имеют отношение к ее существованию.
Исходя из функциональных и структурных особенностей клеточной мембраны, каждая отдельная клетка (например, амеба) представляет собой автономная микрокомпьютерная система. Как и в цифровых компьютерах, мощность или способность обработки информации «сотового» компьютера определяется количеством его БИТ, которыми он может управлять. В компьютерах BIT представляют собой комплексы ворота / канал, в мембранном процессоре BIT представлены комплексами рецептор / эффектор. Молекулы IMP, составляющие BIT клетки, имеют определенные физические параметры, и поэтому их можно «измерить».
Размер белков IMP примерно такой же, как толщина мембраны. Поскольку IMP, по определению, находятся в двойном слое мембраны, белки могут быть расположены только как монослой (это означает, что IMP не могут быть наложены друг на друга). Используя метафору хлеба с маслом и сэндвича с оливками, можно сказать, что на хлеб можно наслоить очень много оливок. Чтобы в бутерброде было больше оливок, нужно использовать больший кусок хлеба. То же самое относится и к увеличению количества единиц восприятия IMP в мембране: чем больше IMP, тем большая площадь поверхности мембраны требуется для их удержания. Способность клетки обрабатывать информацию (отражается в количестве белков восприятия) напрямую связана с площадью поверхности мембраны.
Суть этого дискурса ... Биологическая осведомленность - это измеримое свойство, и прямо коррелированный с площадью поверхности клеточной мембраны. Следовательно, вычислительная мощность соты физически определяется ограничениями, накладываемыми на размеры соты.
В первая фаза эволюции жизни связано с развитием и усовершенствованием индивидуальной «микросхемы» биологического компьютера, примитивной бактерии. Размер этих примитивных организмов ограничен тем фактом, что они обладают жестким внешним скелетом, полученным из полисахаридов гликокаликса. Матрица, образующаяся в результате сшивания молекул сахара в этой «оболочке», обеспечивает защитный «скелет» клетки, называемый капсулой. Капсула физически поддерживает и защищает тонкую мембрану клетки от разрыва под действием осмотического давления.
Осмотическое давление - это сила, создаваемая стремлением воды пройти через мембрану, чтобы «уравновесить» концентрацию частиц на каждой стороне мембранного барьера. Цитоплазма клетки заполнена частицами по сравнению с водой, в которой живут клетки. Вода из внешней среды будет проходить через мембрану, чтобы снизить концентрацию цитоплазматических частиц. Клетка набухнет под действием воды, и давление вызовет разрыв тонкого мембранного бислоя, убив клетку. Экзоскелет гликокаликса противостоит опасному для жизни осмотическому давлению.
Бактерии являются клеточным эквивалентом беспозвоночных (животные, не обладающие внутренним поддерживающим скелетом (например, моллюски, насекомые, медузы). Хотя скелет защищает бактерии, его жесткая природа также ограничивает их. Размер бактериальных клеток ограничен внешним капсула. Ограничение размера ограничивает количество мембраны, которой может обладать клетка. Площадь поверхности мембраны пропорциональна осведомленности, в зависимости от количества IMP, которое она может содержать. Бактериальная капсула ограничивает эволюцию клетки, поскольку существует ограничение на количество единиц восприятия может содержать мембрана.
Фактически, большая часть площади поверхности мембраны бактерии используется для размещения необходимых комплексов IMP, необходимых для выживания клеток. Однако каждая бактерия также способна узнавать около шести дополнительных «сигналов» окружающей среды. Например, бактерия может приобрести способность противостоять антибиотику, введенному в окружающую среду. Это достигается путем создания поверхностного рецептора, который связывает и ингибирует молекулы антибиотика. Новый рецептор по сути является эквивалентом белкового «антитела», которое наши иммунные клетки создают для нейтрализации инвазивного антигена.
Создание нового рецептора по определению подразумевает, что должен быть создан новый ген, который запоминает аминокислотный код этого белка. У бактерий эти «новые» Память гены представлены в виде крошечных кругов ДНК, называемых плазмидами. Плазмиды физически не прикреплены к хромосоме, обеспечивающей наследственность, и свободно плавают в цитоплазме. Бактерии способны создавать в среднем около шести различный плазмиды, каждая из которых получена в результате уникального обучающего «опыта». Ограничение количества плазмид в клетке не связано с неспособностью производить ДНК. Ибо бактерия может создавать тысячи копий любой отдельной плазмиды, которой она обладает. Ограничения должны быть связаны с тем фактом, что каждый «новый» комплекс восприятия белка требует единицы площади поверхности для выражения своих функций. Неспособность расширить свою мембрану (то есть площадь поверхности) ограничивает способность бактерии приобретать новое восприятие (осознание).
Чем больше осознанности, тем больше шансов выжить. Ограничения людей, повышающих их осведомленность, привели к тому, что бактерии стали жить в слабо связанных сообществах. Если отдельная бактерия может «узнать» шесть фактов об окружающей среде, то сотня бактерий в совокупности сможет узнать 600 фактов. Бактерии разработали механизмы для передачи копий своих плазмид другим бактериям в сообществе. Передавая копии своей «изученной» ДНК, они делятся своей «осведомленностью» с сообществом. Бактерии могут передавать плазмиду другому человеку. Бактерия-реципиент может использовать «осведомленность» переданной плазмиды в течение своей жизни, но, как правило, не может передавать копии плазмиды своим дочерним клеткам.
Бактерии обладают тонкими, похожими на щупальца выступами, выходящими из их внешней поверхности, называемыми пилями. Когда пили двух бактерий соприкасаются, мембраны пилей могут на мгновение сливаться, соединяя цитоплазму двух клеток вместе. В момент слияния две бактерии могут обмениваться копиями своих плазмид. Бактерии также способны поглощать свободно плавающую ДНК в окружающей среде, поэтому плазмиды, высвобождаемые в окружающую среду, как это может происходить, когда клетка умирает и ее цитоплазма выходит наружу, могут поглощаться другими клетками. Однако среда жесткая для свободно плавающей ДНК, и плазмиды легко разрушаются. Третий, более эффективный способ распространения плазмид «осведомленности» возник, когда бактерии научились упаковывать свою плазмидную ДНК в защитные белковые оболочки, создавая вирусы. Вирусы содержат «информацию», которая передается другим отдельным клеткам окружающей среды. Некоторые вирусы убивают клетки, которые их собирают, в то время как другие вирусы защищают клетки, которые они «заражают». Иногда «информация» жизнеутверждающая, иногда смертельная.
Бактериальные сообщества разработали средства для увеличения своего выживания за счет использования полисахаридного внеклеточного матрикса, который обволакивает все клетки в сообществе и «защищает» их от разрушительного воздействия дикой окружающей среды. Отдельные бактерии могли перемещаться по «орошаемым» каналам внутри матрицы. Каналы также позволяли передавать внеклеточные материалы и информационные молекулы, что обеспечивало общую интеграцию всех членов сообщества. Клеточное сообщество может быть заселено различными видами бактерий. Например, опасные кислородом анаэробные формы бактерий могут жить в нижней части сообщества, в то время как кислородолюбивые аэробные бактерии присутствуют на верхних уровнях того же сообщества. Бактерии внутри сообщества могут легко обмениваться своей ДНК и тем самым позволяют клеточным гражданам приобретать специализированные, дифференцированные функции.
Эти заключенные в матрицу бактериальные сообщества называются биопленками (см. Иллюстрацию ниже). Биопленки стали очень важными, поскольку теперь признано, что они защищают бактериальные сообщества от антибиотиков. Бактерии, образующие полости в зубах, на самом деле представляют собой сообщества биопленок, которые сопротивляются нашим попыткам стереть их с зубов. Устойчивый и защитный характер биопленок позволил этим сообществам стать первыми формами жизни, которые покинули океан и стали жить на суше.
Много лет назад биолог Линн Маргулис основала концепцию, согласно которой митохондрии представляют собой бактериоподобные организмы, которые вторгаются в цитоплазму более совершенных содержащих ядра клеток, называемых эукариотами. Сначала ее идеи высмеивались истеблишментом, но со временем это стало общепринятым мнением. Интересно, что понимание коллективной природы бактерий в биопленках предлагает другую интерпретацию.
На микрофотографии слева показан пример биопленки в легком человека. Инфекционный бактериальный комок pseudomonas заключен в темный внеклеточный матрикс (см. Стрелку), содержащий биопленку. Инкапсуляция в матрице защищает бактерии от попыток иммунной системы уничтожить их. Матрикс, в основном состоящий из углеводов, может также содержать мышечные белки, актин и миозин, которые обнаруживаются связанными с внешними поверхностями некоторых бактерий. Белки внешнего актина и миозина позволяют бактериям перемещаться в матрице пленки.
Микрофотография справа - это то же изображение, но с «мембраной», обведенной по краю пленки. Мембрана вокруг пленки позволит бактериальному сообществу точно контролировать состав и характер окружающей среды, что необходимо для улучшения их выживания. Эта модифицированная пленка напоминает цитологическую анатомию эволюционно более продвинутой эукариотической клетки. В этом случае бактерии будут представлять органеллы клетки, а матрица пленки будет представлять богатую цитоскелетом цитоплазму между органеллами. Интересно, что цитоплазма эукариот обладает многими из тех же структурных компонентов, которые характеризуют матрикс биопленки. Это особенно верно в отношении актина и миозина, которые позволяют бактериям перемещаться в пленке так же, как органеллы в цитоплазме.
Суть этого обсуждения заключается в том, что более развитая эукариотическая клетка, а не единое эволюционное образование, может представлять эволюцию бактериального сообщества. Клетка представляет собой точно настроенное сообщество прокариот, которые дифференцировались в органеллы. Такая гипотеза поддерживает убеждения плеоморфных биологов, небольшой, но стойкой группы ученых, которые считают, что микроорганизмы, связанные с болезнями, могут представлять формы жизни, которые возникли, отпочковались из умирающих клеток. Имеет смысл.
Тем не менее, вторая фаза эволюции ознаменовала происхождение более сложной эукариотической (ядерной) клетки. Однако эволюция прекратилась, когда зародившаяся клетка достигла максимального определенного размера, поскольку на клеточную жизнь накладываются физические ограничения. Если клетка попытается расширить свою площадь поверхности за пределы заданного размера, клетка станет нестабильной, поскольку, если она превысит определенные размеры, мембрана не будет физически способна сдерживать массу ее цитоплазмы. Это приведет к разрыву мембраны и потере мембранного потенциала (из которого клетка черпает свою живительную энергию). Кроме того, если клетка превышает определенный диаметр, то процесс диффузии не позволит достаточному количеству кислорода для метаболической обработки достичь центральной части клетки.
В результате в истории эволюции первые 3 миллиарда лет были в первую очередь связаны с появлением и эволюцией одноклеточных организмов (бактерий, водорослей, простейших). Это было происхождение многоклеточных организмов, которые представляли альтернативный способ увеличения площади поверхности мембраны (то есть потенциала осознания) за пределы ограничений одной клетки. Следовательно, в том, что составило третью фазу эволюции, увеличение мощности биологического «компьютера» (осведомленности) стало результатом того же процесса организации в сообщества более высокого порядка. Вместо того чтобы повышать осведомленность об отдельных эукариотических клетках, третья фаза эволюции была связана с упорядочением отдельных «чипов» эукариотических клеток в интерактивные сборки.
Эта «поэтапность» эволюции напоминает то, что произошло в компьютерной индустрии. Чип разработала Texas Instruments. Отдельные фишки - это сердце простого калькулятора. Однако когда многие микросхемы были интегрированы и соединены вместе, они предоставили компьютер. Когда отдельные компьютеры достигли максимальной мощности, были созданы суперкомпьютеры путем объединения множества компьютеров в организованное «сообщество» параллельной обработки. Отношение бактерии к эукариотической клетке равносильно отношению чипа к компьютеру. Отношение эукариотической клетки к многоклеточному организму такое же, как отношение отдельного компьютера к целому в сети параллельной обработки.
В компьютерах «мощность» машины измеряется пропускной способностью BIT. В биологических организмах потенциал «осведомленности» отражается в количестве и разнообразии интегрированных комплексов IMP. Поскольку количество IMP напрямую связано с «площадью поверхности», осведомленность становится фактором общих мембранных поверхностей в многоклеточных организмах.
Рассмотрим взаимосвязь площади поверхности в отношении эволюции мозга позвоночных. Мозг первых позвоночных - это маленькие гладкие сферы. По мере того, как человек поднимается по эволюционной лестнице, мозг становится больше, и впоследствии увеличивается площадь поверхности за счет складок на поверхности мозга, которые образуют характерные борозды (бороздки) и извилины (складки) более продвинутого мозга. Интересно, что при рассмотрении осведомленности с точки зрения поверхности мозга люди находятся на втором месте, поскольку мозги морских свиней и дельфинов имеют большую площадь поверхности.
Предполагается, что, подобно одноклеточным простейшим, люди представляют собой еще одну конечную точку эволюции, высший уровень развития многоклеточной биологической структуры. В серии событий, дублирующих те, что произошли в предыдущих двух циклах эволюции, человеческая эволюция продолжалась через процесс сборки и интеграции индивидов в многоклеточное сообщество. В этом сообществе, известном как человечество, роль каждого человека аналогична роли отдельной клетки в человеческом построении. В глобальном представлении о Земле как о живом организме (Гайя) люди являются эквивалентами IMP в поверхностной мембране Земли. Люди в качестве рецепторов и эффекторов собираются и интегрируются в структурированные сети (сообщества) в оболочке Земли, где они получают «сигналы» окружающей среды и служат в качестве механизмов переключения мембранных ворот планеты.
Эти исследования показывают, что прошлую и будущую эволюцию можно математически смоделировать в структуре и развитии клеточной мембраны. Лучший способ организовать двумерную площадь поверхности мембраны в трехмерное пространство ячеек - использовать фрактальную геометрию.
В природе большинство неорганических и органических структур выражают «неправильный» узор. Однако в кажущемся хаосе неоднородностей обнаруживается, что нерегулярные структуры «регулярно» повторяются (т. Е. Демонстрируют форму порядка). Например, образец ветвления ветки дерева часто совпадает с образцом ветвления, наблюдаемым на стволе дерева. Схема разветвления крупной реки идентична схеме разветвления, наблюдаемой вдоль ее более мелких притоков. Рисунок ветвей вдоль бронха повторяет рисунок ветвей дыхательных путей вдоль мельчайших бронхиол. Подобные изображения повторяющихся паттернов ветвления в теле обнаруживаются в артериальных и венозных кровеносных сосудах и периферической нервной системе.
Французский математик Бенуа Мандельброт был первым, кто осознал, что геометрия многих объектов Природы обнаруживает сходные закономерности независимо от масштаба, в котором они исследуются. Чем больше вы увеличиваете изображение, тем точнее выглядит его структура. Мандельброт ввел термин «самоподобный» для описания таких объектов. «В 1975 году Мандельброт придумал слово фрактал как удобный ярлык для неправильных и фрагментированных самоподобных форм.
Математика фракталов удивительно проста в том смысле, что она состоит из повторяющихся «операций» сложения и умножения. При этом результат одной операции используется в качестве входных данных для последующей операции; результат этой операции затем используется в качестве входных данных для следующей операции и так далее. Математически все «операции» используют одну и ту же формулу, однако их нужно повторить миллионы раз, чтобы получить решение. Ручной труд и время, необходимые для завершения фрактального уравнения, не позволяли математикам осознать «силу» фрактальной геометрии до тех пор, пока появление мощных компьютеров не позволило Бенуа Мандельброту определить эту новую математику.
В классической геометрии точки, линии, площади поверхности и кубические структуры представляют собой измерения, выраженные целыми числами, 0-, 1-, 2- и 3-мерными соответственно. Фрактальная геометрия используется для моделирования изображений, которые более «межпространственны». Например, изогнутая линия - это одномерный объект. Во фракталах кривая может изгибаться настолько зигзагообразно, что фактически почти заполняет плоскость. Если кривая линии относительно проста, она близка к размерности 1. Если кривые линии настолько плотно упакованы, что заполняют пространство, линия приближается к 1-мерному. Фрактальная геометрия заполняет промежутки между целочисленными измерениями.
Структурную характеристику фракталов относительно просто понять: фракталы демонстрируют повторяющийся образец «структур», вложенных друг в друга. Каждая меньшая структура является миниатюрной, но не обязательно точной версией большей формы. Фрактальная математика подчеркивает связь между паттернами, видимыми в целом, и паттернами, видимыми в частях этого целого. Например, узор из веток на ветке напоминает узор веток, отходящих от ствола. Фрактальные объекты могут быть представлены в виде «коробки» внутри «коробки», внутри «коробки», внутри «коробки» и т. Д. Если кто-то знает параметры первой «коробки», то ему автоматически предоставляются основные паттерн, который характеризует все остальные (большие или меньшие) «коробки».
Как описано в статье У. Оллмана «Математика человеческой жизни» (цитируется в справочном разделе): «Математические исследования фракталов показывают, что структура фрактала« ветвление внутри ветвления »представляет собой лучший способ получить наибольшую площадь поверхности в пределах трех -мерное пространство… » В то время как клеточная мембрана на самом деле является трехмерным объектом, ее молекулярный бислой имеет постоянную и однородную толщину. По существу, толщиной мембраны можно пренебречь, и мембрану можно моделировать как двумерную структуру «площадь поверхности». Поскольку эволюция - это моделирование осведомленности мембраны (связанной с площадью ее поверхности), эффективность моделирования, обеспечиваемая фрактальной геометрией, скорее всего, будет отражать то, что выбрано Природой.
Дело не в том, чтобы увлекаться математикой моделирования. Дело в том, что фрактальная модель предсказывает, что эволюция будет основана на повторяющемся паттерне «структур», вложенных друг в друга! Более конкретно, поскольку это относится к концепции фрактальной эволюции, «образец целого виден в частях целого», это означает, что образец человека виден в частях (клетках) человека. Если кто-то осознает закономерность, по которой клетка функционально организована, то ему также предоставляется возможность проникновения в суть организации человека. Подумайте вот о чем: фрактальные изображения меньших структур - это миниатюры большего целого. Следовательно, в то время как структура людей - это самоподобный образ их собственных клеток, структура человеческой цивилизации будет представлять собой самоподобную структуру составляющих ее людей!
Люди - фрактальный образ общества, клетки - фрактальный образ человека. На самом деле клетки также являются фрактальным образом общества. Фрактальная природа эволюции далее подразумевается повторяющимися, одинаковыми паттернами, наблюдаемыми в каждом из трех циклов эволюции.