Evolution by BITs and Pieces: En Introduction to Fractal Evolution
Membrangränsen som omsluter varje biologisk cell omfattar den strukturella grunden för ett biologiskt processorsystem (se artikel: Cellular Consciousness). Som processor skannar cellens membranreceptorer miljön efter signaler. Självklart är miljön överflödig i signaler. Om alla signaler var hörbara skulle miljön låta som brusande ljud. Emellertid gör specificiteten för mottagning som är karakteristisk för varje receptor IMP att den kan urskilja sin kompletterande signal från allt rörigt omgivande brus. Cellens förmåga att selektivt filtrera användbar information ur "kaotiskt" brus liknar funktionen hos Fourier-transformationer [matematiska filtreringsprocesser som hittar signaler inom vad som verkar vara brus] på komplexa ingångar för att uppfatta specifika frekvenser som informationssignaler. Medan miljön i en mening är "kaotisk", med hundratusentals samtidigt uttryckta "signaler", kan cellen selektivt bara läsa de signaler som är relevanta för dess existens.
Baserat på de funktionella och strukturella egenskaperna hos cellmembranet representerar varje enskild cell (t.ex. amoeba) en självdriven mikrodatorsystem. Precis som på digitala datorer bestäms den "cellulära" datorns effekt- eller informationshanteringskapacitet av antalet BIT: er som den kan hantera. I datorer är BIT: erna gate / kanal-komplex, i membranprocessorn representeras BIT: erna av receptor / effektor-komplex. IMP-molekylerna som innehåller cellens BIT har definierade fysiska parametrar och kan därför mätas.
IMP-proteinernas dimension är ungefär densamma som membranets tjocklek. Eftersom IMP: erna per definition finns i membranets dubbelskikt kan proteinerna endast ordnas som ett monolager (vilket innebär att IMP: n inte kan staplas på varandra). För att använda bröd- och smör- och olivsmörgåsmetaforen finns det bara så många oliver som kan lagras på brödet. För att ha fler oliver i smörgåsen krävs en större skiva bröd. Detsamma gäller för att öka antalet perception-IMP-enheter i membranet: ju fler IMPs, desto mer yta av membran krävs för att hålla dem. Cellens informationsbehandlingsförmåga (reflekterad i antalet uppfattningsproteiner) är direkt kopplad till membranets ytarea.
Den djupa punkten i denna diskurs ... Biologisk medvetenhet är en mätbar egenskap och är direkt korrelerade med ytan av cellens membran. Följaktligen bestäms beräkningskraften för en cell fysiskt av begränsningar som införs på cellulära dimensioner.
Smakämnen första utvecklingsfasen av livet handlade om utveckling och förfining av det enskilda biologiska datorchipet, den primitiva bakterien. Storleken på dessa primitiva organismer begränsas av det faktum att de har ett styvt yttre skelett, härledt från polysackariderna i glykokalyxen. Matrisen som framställs genom tvärbindning av sockermolekylerna i denna "kappa" ger cellens skyddande "skelett", kallad kapsel. Kapseln stöder och skyddar cellens tunna membran fysiskt från att brista under osmotiskt tryck.
Osmotiskt tryck är den kraft som genereras av vattenets önskan att röra sig genom ett membran för att "balansera" koncentrationen av partiklar på vardera sidan av membranbarriären. Cellens cytoplasma är packad med partiklar jämfört med det vatten där cellerna lever. Vatten från den yttre miljön kommer att passera genom membranet för att späda koncentrationen av cytoplasmiska partiklar. Cellen skulle svälla upp med vatten och trycket skulle orsaka att det känsliga membran dubbelskiktet brister och dödar cellen. Glykokalyx exoskelettet motstår livshotande osmotiskt tryck.
Bakterier är den cellulära ekvivalenten av ryggradslösa djur (djur som inte har ett inre stödjande skelett (t.ex. musslor, insekter, geléfisk). Medan skelettet skyddar bakterien begränsar dess styva natur det också. Bakteriecellstorleken begränsas av dess yttre kapsel. Storleksbegränsningen begränsar mängden membran som cellen kan ha. Membranytan är proportionell mot medvetenheten, baserat på antalet IMP: er som den kan innehålla. Bakteriekapseln begränsar cellens utveckling eftersom det finns ett tak på antalet enheter av perception membranet kan innehålla.
Faktum är att det mesta av bakteriens membranyta används för att hysa de nödvändiga IMP-komplex som krävs för cellöverlevnad. Men varje bakterie kan också lära sig om ytterligare sex "miljösignaler". Till exempel kan en bakterie få förmågan att motstå ett antibiotikum som införs i miljön. Det gör det genom att skapa en ytreceptor som binder och hämmar antibiotikumets molekyler. Den nya receptorn är i grunden ekvivalent med en proteinantikropp som våra immunceller skapar för att neutralisera ett invasivt antigen.
Skapandet av en ny receptor innebär per definition att det måste finnas en ny gen skapad för att komma ihåg aminosyrakoden för det proteinet. I bakterier är dessa "nya" minne gener finns som små cirklar av DNA som kallas plasmider. Plasmiderna är inte fysiskt bundna till cellens ärftliga kromosom och flyter fritt i cytoplasman. Bakterier kan skapa i genomsnitt cirka sex olika plasmider, var och en härledd från en unik inlärningsupplevelse. Begränsningen av antalet plasmider som cellen besitter beror inte på oförmåga att framställa DNA. För bakterien kan göra tusentals kopior av någon av de enskilda plasmiderna den har. Begränsningarna måste relateras till det faktum att varje ”nytt” proteinuppfattningskomplex kräver en ytenhet för att uttrycka sina funktioner. Oförmågan att expandera sitt membran (dvs. ytarea) begränsar bakteriens förmåga att förvärva nya uppfattningar (medvetenhet).
Ju mer medvetenhet desto större förmåga att överleva. Begränsningar för individer som ökade sin medvetenhet ledde till att bakterier lever i löst stickade samhällen. Om en enskild bakterie kan "lära sig" sex fakta om miljön, kan hundra bakterier tillsammans vara medvetna om 600 fakta. Bakterier utvecklade mekanismer för att överföra kopior av sina plasmider till andra bakterier i samhället. Genom att överföra kopior av deras "lärda" DNA delar de sin "medvetenhet" med samhället. Bakterier kan överföra en plasmid till en annan individ. Den mottagande bakterien kan använda den donerade plasmidens "medvetenhet" under sitt liv, men kan i allmänhet inte överföra kopior av plasmiden till dess dottercellsavkomma.
Bakterier har fina tentakelliknande utsprång som sträcker sig från sin yttre yta som kallas pili. När pilen från två bakterier berör kan pilusmembranen smälta till en stund och sammanfoga cytoplasman hos de två cellerna. I fusionstillfället kan de två bakterierna byta kopior av sina plasmider. Bakterier kan också scarf-up fritt flytande DNA i miljön, så plasmider som släpps ut i miljön, som kan uppstå när en cell dör och dess cytoplasma läcker ut, kan rensas av andra celler. Emellertid är miljön tuff mot fritt flytande DNA och plasmiderna bryts lätt ner. Ett tredje, effektivare sätt att distribuera "medvetenhetsplasmider" uppstod när bakterier lärde sig att packa sitt plasmid-DNA i skyddande proteinskal och skapa virus. Virus innehåller ”information” som släpps ut till andra enskilda celler i miljön. Vissa virus dödar cellerna som plockar upp dem, medan andra virus skyddar cellerna som de "infekterar". Ibland är ”information” livsbekräftande, ibland är det dödligt.
Bakteriesamhällen utvecklade ett sätt att öka deras överlevnad genom att använda en extracellulär polysackaridmatris för att hölja alla celler i samhället och "skydda" dem från vildmarkens härjningar. Enskilda bakterier kunde röra sig genom "bevattnade" kanaler i matrisen. Kanalerna tillät också kommunikation av extracellulära material och informationsmolekyler, vilket gav en gemensam integration mellan alla medlemmar i samhället. Den cellulära gemenskapen kan vara befolkad med en mängd olika bakteriearter. Till exempel kan syrefruktande anaeroba former av bakterier leva längst ner i ett samhälle, medan syreälskande aeroba bakterier finns i övre nivåer i samma samhälle. Bakterier inom samhället kan enkelt utbyta sitt DNA och på så sätt göra det möjligt för mobilmedborgarna att förvärva specialiserade, differentierade funktioner.
Dessa matrisinkapslade bakteriesamhällen kallas biofilm (se illustration nedan). Biofilmer har blivit mycket viktiga eftersom de nu erkänns för att skydda bakteriesamhällen från antibiotika. Bakterierna som bildar tandhåligheter är faktiskt biofilmsamhällen, som motstår våra ansträngningar att skura dem från våra tänder. Biofilmenas resistiva och skyddande natur gjorde det möjligt för dessa samhällen att vara de första livsformerna att lämna havet och leva på landet.
För många år sedan grundade biologen Lynn Margulis konceptet att mitokondrier var bakteriliknande organismer som invaderade cytoplasman i mer avancerade kärninnehållande celler som kallas eukaryoter. Först blev hennes idéer förlöjligad av etableringen, men genom åren har det blivit en allmänt accepterad tro. Intressant är att en förståelse för bakteriens gemensamma natur i biofilm erbjuder en annan tolkning.
Mikrofotografiet till vänster illustrerar ett exempel på en biofilm i en mänsklig lunga. Den infektiösa pseudomonas-bakterieklumpen är innesluten i en mörkfärgad extracellulär matris (se pil) innefattande en biofilm. Inkapsling i matrisen skyddar bakterierna från immunsystemets ansträngningar att förstöra dem. Matrisen, främst gjord av kolhydrater, kan också innehålla muskelproteinerna, aktin och myosin, som finns bundna till vissa bakteriers yttre ytor. De yttre aktin- och myosinproteinerna gör det möjligt för bakterierna att röra sig inom filmens matris.
Mikrofotografiet till höger är samma bild, men med ett ”membran” som dras runt filmens periferi. Ett membran runt filmen skulle göra det möjligt för bakteriesamhället att fint kontrollera sammansättningen och karaktären i deras miljö, en nödvändig utveckling som skulle förbättra deras överlevnad. Denna modifierade film liknar den cytologiska anatomin hos den evolutionärt mer avancerade eukaryota cellen. I detta fall skulle bakterierna representera cellens organeller och filmens matris representerar det cytoskeletala rika cytoplasman mellan organellerna. Intressant nog har eukaryotcytoplasman många av samma strukturella komponenter som kännetecknar biofilmens matris. Detta gäller särskilt aktinet och myosinet som gör det möjligt för bakterierna att röra sig i filmen på samma sätt som organeller rör sig i cytoplasman.
Poängen med denna diskussion är att den mer avancerade eukaryota cellen, snarare än att vara en utvecklad enhet, kan representera utvecklingen av en bakteriesamhälle. En cell skulle representera en finjusterad gemenskap av prokaryoter som har differentierats till organeller. En sådan hypotes stöder tron hos pleomorfa biologer, en liten men stark grupp forskare som tror att sjukdomsrelaterade mikroorganismer kan representera livsformer som uppstod, avblåsta, från döende celler. Är vettigt.
Oavsett, såg den andra utvecklingsfasen ursprunget till den mer sofistikerade eukaryota (kärnformade) cellen. Evolutionen upphörde emellertid när den kärnformade cellen nådde sin maximala specifika storlek, för det finns fysiska begränsningar för cellulärt liv. Om cellen försöker expandera sin ytarea över en viss storlek kommer cellen att bli instabil, för om den överskrider vissa dimensioner kommer membranet inte att fysiskt kunna begränsa dess cytoplasmas massa. Detta kommer att leda till ett brott på membranet och en förlust av membranpotentialen (från vilken cellen hämtar sin livgivande energi). Dessutom, om cellen överstiger en viss diameter, skulle diffusionsprocessen inte möjliggöra tillräckligt med syre för metabolisk bearbetning för att nå den centrala delen av cellen.
Som ett resultat, i evolutionens historia, var de första 3 miljarder åren primärt associerade med utseende och utveckling av encelliga organismer (bakterier, alger, protozoer). Det var ursprunget till flercelliga organismer som representerade ett alternativt sätt att expandera membranytan (dvs. medvetenhetspotential) bortom gränserna för den enskilda cellen. Följaktligen, i vad som utgjorde en tredje utvecklingsfas, resulterade en ökning av biologisk "dator" -kraft (medvetenhet) från samma organisationsprocess i samhällen med högre ordning. I stället för att öka medvetenheten om den enskilda eukaryota cellen, handlade den tredje utvecklingsfasen om beställningen av enskilda eukaryota cellchips i interaktiva sammansättningar.
Denna "fasning" av evolutionen liknar den som inträffade i datorindustrin. Texas Instruments utvecklade chipet. Enskilda marker är hjärtat i den enkla kalkylatorn. Men när många marker integrerades och kopplades ihop tillhandahöll de datorn. När enskilda datorer nådde sin maximala effekt skapades superdatorer genom att sätta ihop många datorer till ett organiserat "community" för parallellbehandling. Bakteriets relation till den eukaryota cellen är lika med chipets förhållande till datorn. Den eukaryota cellens relation till den multicellulära organismen är densamma som en enskild dators relation till helheten i ett nätverk med parallell bearbetning.
På datorer mäts maskinens "kraft" i BIT-hanteringskapacitet. I biologiska organismer återspeglas "medvetenhetspotentialen" i antalet och olika integrerade IMP-komplex. Eftersom mängden IMP är direkt kopplad till "ytarea" blir medvetenheten en faktor för delade membranytor i de flercelliga organismerna.
Tänk på det ytareaförhållandet när det gäller utvecklingen av ryggradsdjurens hjärna. De första ryggradshjärnorna är små, släta sfärer. När man går upp den evolutionära stegen blir hjärnorna större och mer ytarea härleds därefter från infoldningar av hjärnans yta som producerar de karakteristiska sulci (spår) och gyri (veck) av mer avancerade hjärnor. Intressant är att när man överväger medvetenhet när det gäller hjärnans yta ligger människor på andra plats eftersom tumlare och delfinhjärnor har en större yta.
Det föreslås att människor som liknar encelliga protozoer representerar en annan evolutionär slutpunkt, den högsta utvecklingsnivån för en multicellulär biologisk struktur. I en serie händelser som är överflödiga för de som inträffade under de två föregående utvecklingscyklerna, fortsatte den mänskliga utvecklingen genom en process av sammansättning och integrering av individer i en multi- "cellulär" gemenskap. I denna gemenskap som kallas mänskligheten är varje människas roll analog med den för en enda cell i den mänskliga konstruktionen. I den globala synen på jorden som en levande organism (Gaia) är människor IMP-ekvivalenter i jordens ytmembran. Människor, som receptorer och effektorer, monteras och integreras i mönstrade nätverk (gemenskap) i jordens hölje, där de tar emot miljösignaler och fungerar som växlingsmekanismer för planetens membranportar.
Dessa studier avslöjar att tidigare och framtida evolution kan matematiskt modelleras i strukturen och utarbetandet av cellmembranet. Det bästa sättet att organisera tvådimensionellt membranyta i ett tredimensionellt cellutrymme är att använda fraktal geometri.
I naturen uttrycker de flesta oorganiska och organiska strukturer ett ”oregelbundet” mönster. Inom det uppenbara kaoset med oegentligheterna finner man dock att de oregelbundna strukturerna upprepas "regelbundet" (dvs de visar en form av ordning). Till exempel är förgreningsmönstret i ett träds kvist ofta samma förgreningsmönster som observeras på trädets stam. Förgreningsmönstret för en större flod är identiskt med det förgreningsmönster som observerats längs dess mindre bifloder. Mönstret av grenar längs bronchus är en upprepning av mönstret av luftvägsgrenar längs de minsta bronchiolesna. Liknande bilder av upprepade förgreningsmönster i kroppen avslöjas i arteriella och venösa blodkärl och perifera nervsystemet.
Den franska matematikern Benoit Mandelbrot var den första som insåg att geometrin hos många av naturens objekt avslöjade ett liknande mönster oavsett vilken skala den undersöktes på. Ju mer du förstorar bilden, desto mer verkar strukturen densamma. Mandelbrot introducerade termen ”självliknande” för att beskriva sådana objekt. ”1975 myntade Mandelbrot ordet fractal som en bekväm etikett för oregelbundna och fragmenterade självliknande former.
Fraktalernas matematik är otroligt enkel genom att den består av att upprepa "operationer" av tillägg och multiplikation. I processen används resultatet av en operation som ingång för den efterföljande operationen; resultatet av den operationen används sedan som ingång för nästa operation, och så vidare. Matematiskt använder alla "operationer" exakt samma formel, men de måste upprepas miljoner gånger för att få lösningen. Manuell arbetskraft och tid som krävs för att slutföra en fraktalekvation hindrade matematiker från att känna igen "kraften" i Fractal Geometry tills tillkomsten av kraftfulla datorer gjorde det möjligt för Benoit Mandelbrot att definiera denna nya matematik.
I klassisk geometri representerar punkter, linjer, ytarea och kubiska strukturer dimensioner uttryckta i heltal, 0-, 1-, 2- respektive 3-dimensioner. Fraktalgeometri används för att modellera bilder som är mer "interdimensionella". Till exempel är en böjd linje ett 1-dimensionellt objekt. I fraktaler kan kurvan sicksackas så mycket att den faktiskt kommer nära att fylla planet. Om linjens kurva är relativt enkel är den nära dimensionen 1. Om linjens kurvor är så tätt packade att de fyller utrymmet närmar sig linjen 2-dimensioner. Fraktalgeometri fyller i mellanslag mellan heltalets dimensioner.
En strukturell egenskap hos fraktaler är relativt enkel att förstå: fraktaler uppvisar ett upprepat mönster av "strukturer" inbäddade i varandra. Varje mindre struktur är en miniatyr, men inte nödvändigtvis en exakt version av den större formen. Fraktalmatematik betonar förhållandet mellan de mönster som ses i helheten och de mönster som ses i delar av den helheten. Mönstret av kvistar på en gren liknar till exempel mönstret av lemmar som förgrenar sig från stammen. Fraktalobjekt kan representeras av en "ruta" i en "ruta", inom en "ruta", inom en "ruta", etc. Om man känner till parametrarna för den första "rutan" förses man automatiskt med de grundläggande mönster som kännetecknar alla andra (större eller mindre) "rutor".
Som beskrivs i Mathematics of Human Life-artikeln av W. Allman (citerad i referensavsnittet), "Matematiska studier av fraktaler avslöjar att en förgrenings-inom-förgreningsstruktur för en fraktal representerar det bästa sättet att få mest yta inom en tre -dimensionellt utrymme ... ” Medan cellmembranet i själva verket är ett tredimensionellt objekt, har dess molekylära dubbelskikt en konstant och enhetlig tjocklek. Som sådan kan membranets tjocklek ignoreras och membranet kan modelleras som en tvådimensionell "ytarea" -struktur. Eftersom evolutionen är modelleringen av membranets medvetenhet (relaterad till dess ytarea), skulle effektiviteten av modellering som tillhandahålls av fraktal geometri sannolikt återspegla det som valts av naturen.
Poängen är att inte fastna i modellerings matematik. Poängen är att fraktalmodellen förutspår att evolution kommer att baseras på ett upprepat mönster av ”strukturer” inbäddade i varandra! Närmare bestämt, när det gäller ett koncept av Fractal Evolution, "helhetens mönster ses i delarna av helheten" betyder detta att människans mönster ses i människans delar (celler). Om man är medveten om det mönster genom vilket en cell är organiserad funktionellt, får man också insikt i människans organisation. Tänk på detta: fraktalbilderna av mindre strukturer är miniatyrer av den större helheten. Därför, även om strukturen hos människor är en självliknande bild av deras egna celler, skulle strukturen för den mänskliga civilisationen representera en självliknande struktur av dess komponent människor!
Människor är en fraktalbild av samhället, celler är en fraktalbild av människan. Faktum är att celler också är en fraktalbild av samhället. Evolutionens fraktala natur antyds vidare av de upprepade, självsamma mönster som observerats i var och en av de tre utvecklingscyklerna.