BIT'ler ve Parçalara Göre Evrim: Fraktal Evrime Giriş
Her biyolojik hücreyi saran zar sınırı, bir biyolojik işlemci sisteminin yapısal temelini oluşturur (bkz. Makale: Hücresel Bilinç). Bir işlemci olarak hücrenin zarı reseptörleri çevreyi sinyaller için tarar. Açıkçası, çevre sinyallerde çalkalanıyor. Tüm sinyaller duyulabilir olsaydı, ortam büyük bir gürültü gibi ses çıkarırdı. Bununla birlikte, her reseptör IMP'si için karakteristik olan alımın özgüllüğü, tamamlayıcı sinyalini tüm karışık ortam gürültüsünden ayırt etmesini sağlar. Hücrenin yararlı bilgileri "kaotik" gürültüden seçici olarak filtreleme yeteneği, belirli frekansları bilgi sinyalleri olarak algılamak için karmaşık girişlerdeki Fourier dönüşümlerinin [gürültü gibi görünen şeyler içinde sinyalleri bulan matematiksel filtreleme süreçleri] işlevine benzer. Çevre, yüzlerce ve binlerce eşzamanlı ifade edilen “sinyal” ile bir anlamda “kaotik” iken, hücre seçici olarak yalnızca kendi varlığıyla ilgili olan sinyalleri okuyabilir.
Hücre zarının işlevsel ve yapısal özelliklerine bağlı olarak, her bir hücre (örneğin, amip) bir kendi kendine çalışan mikro bilgisayar sistemi. Dijital bilgisayarlarda olduğu gibi, "hücresel" bilgisayarın gücü veya bilgi işleme kapasitesi, yönetebildiği BIT'lerin sayısına göre belirlenir. Bilgisayarlarda, BIT'ler kapı / kanal kompleksleridir, membran işlemcisinde BIT'ler reseptör / efektör kompleksleri ile temsil edilir. Hücrenin BIT'lerini içeren IMP molekülleri, tanımlanmış fiziksel parametrelere sahiptir ve bu nedenle "ölçülebilir".
IMP proteinlerinin boyutu, zarın kalınlığı ile yaklaşık olarak aynıdır. IMP'ler, tanım gereği, zarın çift katmanı içinde yer aldığından, proteinler yalnızca bir tek katman olarak düzenlenebilir (yani, IMP'ler birbiri üzerine istiflenemez). Ekmek ve tereyağı ve zeytinli sandviç metaforunu kullanacak olursak, sadece ekmeğin üzerine katmanlanabilecek çok fazla zeytin vardır. Sandviçte daha fazla zeytin olması, daha büyük bir dilim ekmek kullanılmasını gerektirir. Aynısı, zardaki algılama-IMP birimlerinin sayısını artırmak için de geçerlidir: daha fazla IMP - onları tutmak için daha fazla zar yüzey alanı gerekir. Hücrenin bilgi işleme yeteneği (algılama proteinlerinin sayısına yansır), zarın yüzey alanıyla doğrudan bağlantılıdır.
Bu söylemin en derin noktası ... Biyolojik farkındalık ölçülebilir bir özelliktir ve doğrudan korelasyon hücre zarının yüzey alanı ile. Sonuç olarak, bir hücrenin hesaplama gücü, hücresel boyutlara uygulanan sınırlamalarla fiziksel olarak belirlenir.
The evrimin ilk aşaması of life, ilkel bakteri olan bireysel biyolojik bilgisayar "çipi" nin gelişimi ve iyileştirilmesiyle ilgiliydi. Bu ilkel organizmaların boyutu, glikokaliksin polisakkaritlerinden türetilen sert bir dış iskelete sahip olmaları gerçeğiyle sınırlıdır. Bu "örtü" içindeki şeker moleküllerinin çapraz bağlanmasıyla üretilen matris, hücrenin kapsül adı verilen koruyucu "iskeletini" sağlar. Kapsül, hücrenin ince zarının ozmotik basınç altında parçalanmasını fiziksel olarak destekler ve korur.
Ozmotik basınç, membran bariyerinin her iki tarafındaki partikül konsantrasyonunu “dengelemek” için suyun bir membrandan geçme arzusu tarafından üretilen kuvvettir. Hücrenin sitoplazması, hücrelerin yaşadığı suya kıyasla parçacıklarla doludur. Dış ortamdan gelen su, sitoplazmik partiküllerin konsantrasyonunu seyreltmek için membrandan geçecektir. Hücre su ile şişer ve basınç hassas zar çift tabakasının yırtılmasına ve hücreyi öldürmesine neden olur. Glikokaliks dış iskeleti, yaşamı tehdit eden ozmotik basınca direnir.
Bakteriler, omurgasızların hücresel eşdeğeridir (iç destekleyici iskelete sahip olmayan hayvanlar (örn. İstiridye, böcekler, jöle balığı). İskelet bakteriyi korurken, sert yapısı da onu sınırlar. Bakteri hücre boyutu, dış yüzeyiyle sınırlıdır. Kapsül. Boyut sınırlaması hücrenin sahip olabileceği zar miktarını sınırlar. Zar yüzey alanı, içerebileceği IMP sayısına bağlı olarak farkındalıkla orantılıdır. Bakteri kapsülü, birimlerin sayısında bir sınır olduğu için hücrenin gelişimini sınırlar. zarın içerebileceği algı.
Aslında, bakterinin zar yüzey alanının çoğu, hücrenin hayatta kalması için gerekli olan gerekli IMP komplekslerini barındırmak için kullanılır. Bununla birlikte, her bakteri ayrıca altı ek çevresel "sinyal" hakkında bilgi edinme yeteneğine de sahiptir. Örneğin, bir bakteri, ortama verilen bir antibiyotiğe direnç gösterme yeteneği kazanabilir. Bunu, antibiyotik moleküllerini bağlayan ve engelleyen bir yüzey reseptörü oluşturarak yapar. Yeni reseptör temelde bağışıklık hücrelerimizin istilacı bir antijeni nötralize etmek için oluşturduğu bir protein "antikoruna" eşdeğerdir.
Tanım gereği yeni bir reseptörün yaratılması, o proteinin amino asit kodunu hatırlamak için yeni bir genin yaratılması gerektiği anlamına gelir. Bakterilerde bu "yeni" bellek genler, plazmit adı verilen küçük DNA halkaları olarak bulunur. Plazmitler, hücrenin kalıtım sağlayan kromozomuna fiziksel olarak bağlı değildir ve sitoplazmada serbestçe yüzer. Bakteriler ortalama olarak yaklaşık altı farklı plazmitler, her biri benzersiz bir öğrenme "deneyiminden" türetilmiştir. Hücrenin sahip olduğu plazmit sayısındaki sınırlama, DNA yapamamasından kaynaklanmamaktadır. Çünkü bakteri, sahip olduğu herhangi bir plazmitin binlerce kopyasını yapabilir. Sınırlamalar, her "yeni" protein algılama kompleksinin, işlevlerini ifade etmek için bir yüzey alanı birimi gerektirdiği gerçeğiyle ilişkili olmalıdır. Zarını (yani yüzey alanını) genişletememe, bakterinin yeni algılar (farkındalık) edinme yeteneğini sınırlar.
Farkındalık arttıkça hayatta kalma yeteneği de artar. Bireylerin farkındalıklarını artırmalarındaki sınırlamalar, bakterilerin gevşek bir şekilde örülmüş topluluklarda yaşamasına neden oldu. Tek bir bakteri çevre hakkında altı gerçeği “öğrenebiliyorsa”, yüz bakteri topluca 600 gerçeğin farkına varabilir. Bakteriler, plazmitlerinin kopyalarını topluluktaki diğer bakterilere aktarmak için mekanizmalar geliştirdi. "Öğrenilmiş" DNA'larının kopyalarını aktararak, "farkındalıklarını" toplulukla paylaşırlar. Bakteriler bir plazmiti başka bir kişiye aktarabilir. Alıcı bakteri, bağışlanan plazmidin “farkındalığını” ömrü boyunca kullanabilir, ancak genellikle plazmidin kopyalarını yavru hücre soyuna geçiremez.
Bakteriler, pili adı verilen dış yüzeylerinden uzanan ince dokunaç benzeri çıkıntılara sahiptir. İki bakterinin pili dokunduğunda, pilus zarları iki hücrenin sitoplazmasını birleştirerek anlık olarak kaynaşabilir. Füzyon anında iki bakteri, plazmitlerinin kopyalarını değiştirebilir. Bakteriler ayrıca çevredeki serbest yüzen DNA'yı örtebilir, bu nedenle, bir hücre öldüğünde ve sitoplazması dışarı sızdığında meydana gelebileceği gibi çevreye salınan plazmitler, diğer hücreler tarafından temizlenebilir. Bununla birlikte, ortam serbest yüzen DNA için zordur ve plazmitler kolayca parçalanır. "Farkındalık" plazmidlerini dağıtmanın üçüncü ve daha etkili bir yolu, bakteriler plazmit DNA'larını koruyucu protein kabuklarına nasıl paketleyeceklerini öğrendiklerinde ortaya çıktı ve virüsler yarattı. Virüsler, ortamdaki diğer tek tek hücrelere salınan "bilgileri" içerir. Bazı virüsler kendilerini alan hücreleri öldürürken, diğer virüsler "enfekte ettikleri" hücreleri korur. Bazen "bilgi" hayatı onaylayıcıdır, bazen ölümcüldür.
Bakteri toplulukları, topluluktaki tüm hücreleri sarmak ve onları vahşi çevrenin tahribatından "korumak" için bir polisakkarit hücre dışı matris yerleştirerek hayatta kalmalarını artırmanın bir yolunu geliştirdiler. Tek tek bakteriler, matris içindeki "sulanan" kanallardan geçebildi. Kanallar ayrıca, topluluğun tüm üyeleri arasında ortak bir entegrasyon sağlayan hücre dışı materyallerin ve bilgi moleküllerinin iletişimine de izin verdi. Hücresel topluluk, çeşitli bakteri türleriyle doldurulabilir. Örneğin, oksijenden korkan anaerobik bakteri türleri bir topluluğun dibinde yaşarken, oksijen seven aerobik bakteriler aynı topluluğun üst seviyelerinde bulunur. Topluluk içindeki bakteriler, DNA'larını kolaylıkla değiştirebilirler ve böylelikle hücresel vatandaşların özelleşmiş, farklılaştırılmış işlevler edinmesini sağlar.
Bu matrisle kaplı bakteri topluluklarına biyofilm denir (aşağıdaki resme bakın). Biyofilmler artık bakteri topluluklarını antibiyotiklerden korudukları kabul edildiğinden çok önemli hale geldi. Diş boşluklarını oluşturan bakteriler, aslında onları dişlerimizden temizleme çabalarımıza direnen biyofilm topluluklarıdır. Biyofilmlerin dirençli ve koruyucu doğası, bu toplulukların okyanusu terk edip karada yaşayan ilk canlılar olmalarını sağladı.
Yıllar önce, biyolog Lynn Margulis, mitokondrinin ökaryotlar adı verilen daha gelişmiş çekirdek içeren hücrelerin sitoplazmasını istila eden bakteri benzeri organizmalar olduğu kavramını kurdu. İlk başta fikirleri kuruluş tarafından alay konusu oldu, ancak yıllar geçtikçe geniş çapta kabul gören bir inanç haline geldi. İlginç bir şekilde, biyofilmlerdeki bakterilerin ortak doğasının anlaşılması başka bir yorum sunuyor.
Soldaki mikrograf, bir insan akciğerindeki bir biyofilm örneğini göstermektedir. Enfektif psödomonas bakteri kümesi, bir biyofilm içeren koyu renkli bir hücre dışı matris (ok) ile kaplanmıştır. Matris içindeki kapsülleme, bakterileri bağışıklık sisteminin onları yok etme çabalarından korur. Esas olarak karbonhidratlardan yapılan matris, bazı bakterilerin dış yüzeylerine bağlı bulunan kas proteinleri, aktin ve miyozini de içerebilir. Dış aktin ve miyozin proteinleri, bakterilerin filmin matrisi içinde hareket etmesini sağlar.
Sağdaki mikrograf aynı resimdir, ancak filmin çevresine çizilmiş bir "zar" ile. Filmin etrafındaki bir zar, bakteri topluluğunun çevrelerinin kompozisyonunu ve karakterini hassas bir şekilde kontrol etmesini sağlar ve hayatta kalmalarını artıracak gerekli bir gelişme. Bu değiştirilmiş film, evrimsel olarak daha gelişmiş ökaryotik hücrenin sitolojik anatomisine benziyor. Bu durumda bakteri hücrenin organellerini temsil edecek ve filmin matrisi, organeller arasındaki hücre iskeleti açısından zengin sitoplazmayı temsil edecektir. İlginç bir şekilde, ökaryot sitoplazması, biyofilmin matrisini karakterize eden aynı yapısal bileşenlerin çoğuna sahiptir. Bu özellikle bakterilerin filmde, organellerin sitoplazmada hareket ettiği şekilde hareket etmesini sağlayan aktin ve miyozin için geçerlidir.
Bu tartışmanın amacı, daha gelişmiş ökaryotik hücrenin, evrimleşmiş tek bir varlık olmaktan ziyade, bir bakteri topluluğunun evrimini temsil edebileceğidir. Bir hücre, organellere farklılaşmış, ince ayarlanmış bir prokaryot topluluğunu temsil eder. Böyle bir hipotez, hastalıkla ilgili mikroorganizmaların ölmekte olan hücrelerden ortaya çıkan, tomurcuklanan yaşam formlarını temsil edebileceğine inanan küçük ama sadık bir bilim insanı grubu olan pleomorfik biyologların inançlarını destekler. Mantıklı.
Her şeye rağmen, evrimin ikinci aşaması, daha sofistike ökaryotik (çekirdekli) hücrenin kökenini gördü. Ancak, hücresel yaşama uygulanan fiziksel sınırlamalar olduğu için, çekirdekli hücre maksimum özgül boyutuna ulaştığında evrim durdu. Hücre yüzey alanını belirli bir boyutun ötesine genişletmeye çalışırsa, hücre kararsız hale gelir, çünkü belirli boyutları aşarsa, zar sitoplazmasının kütlesini fiziksel olarak kısıtlayamaz. Bu, zarın yırtılmasına ve zar potansiyelinin (hücrenin hayat veren enerjisini aldığı) kaybına yol açacaktır. Ayrıca, hücre belirli bir çapı aşarsa, difüzyon süreci, metabolik işlemin hücrenin merkezi kısmına ulaşması için yeterli oksijeni sağlamaz.
Sonuç olarak, evrim tarihinde, ilk 3 milyar yıl öncelikle tek hücreli organizmalarla (bakteriler, algler, protozoalar) görünüm ve evrimle ilişkilendirildi. Membran yüzey alanını (yani farkındalık potansiyeli) tek hücrenin sınırlamalarının ötesine genişletmenin alternatif bir yolunu temsil eden, çok hücreli organizmaların kökeniydi. Sonuç olarak, evrimin üçüncü aşamasına denk gelen aşamada, biyolojik "bilgisayar" gücündeki (farkındalık) bir artış, üst düzey topluluklar halinde aynı örgütlenme sürecinden kaynaklandı. Tek tek ökaryotik hücrenin farkındalığını artırmak yerine, evrimin üçüncü aşaması, bireysel ökaryotik hücre "yongalarının" etkileşimli meclislere sıralanmasıyla ilgiliydi.
Bu evrim "evresi", bilgisayar endüstrisinde meydana gelenlere benziyor. Texas Instruments çipi geliştirdi. Bireysel çipler, basit hesap makinesinin kalbidir. Bununla birlikte, birçok yonga entegre edildiğinde ve birbirine bağlandığında, bilgisayar için sağladılar. Bireysel bilgisayarlar maksimum güce ulaştığında, süper bilgisayarlar birçok bilgisayarı organize bir paralel işlem "topluluğu" içinde bir araya getirilerek oluşturuldu. Bakterinin ökaryotik hücre ile ilişkisi, çipin bilgisayarla olan ilişkisine eşdeğerdir. Ökaryotik hücrenin çok hücreli organizma ile ilişkisi, bir paralel işlem ağındaki tek bir bilgisayarın bütüne olan ilişkisi ile aynıdır.
Bilgisayarlarda, makinenin "gücü" BIT işleme kapasitelerinde ölçülür. Biyolojik organizmalarda, “farkındalık” potansiyeli, entegre IMP komplekslerinin sayısına ve çeşitliliğine yansır. IMP'lerin miktarı doğrudan “yüzey alanı” ile bağlantılı olduğundan, farkındalık çok hücreli organizmalarda paylaşılan membran yüzeylerinin bir faktörü haline gelir.
Omurgalı beyin evrimi ile ilgili olarak yüzey alanı ilişkisini düşünün. İlk omurgalı beyinleri küçük, pürüzsüz kürelerdir. Evrim merdiveni yükseldikçe, beyinler büyür ve daha fazla yüzey alanı, daha gelişmiş beyinlerin karakteristik sulkuslarını (oluklarını) ve giruslarını (kıvrımlarını) üreten beyin yüzeyinin kıvrımlarından türetilir. İlginç bir şekilde, beyin yüzeyi açısından farkındalık düşünüldüğünde, domuzbalığı ve yunus beyinlerinin daha geniş bir yüzey alanına sahip olması nedeniyle insanlar ikinci sırada yer alıyor.
Tek hücreli protozoalara benzer şekilde, insanların, çok hücreli bir biyolojik yapı için en yüksek gelişme seviyesi olan başka bir evrimsel son noktayı temsil ettiği öne sürülmüştür. Önceki iki evrim döngüsünde meydana gelen olayların gereksiz olduğu bir dizi olayda, insan evrimi, bireylerin bir araya gelme ve çok "hücresel" bir topluluğa entegrasyon süreciyle devam etti. İnsanlık olarak bilinen bu toplulukta, her bir kişinin rolü, insan yapısındaki tek bir hücreninkine benzer. Canlı bir organizma (Gaia) olarak Dünya'nın küresel görüşüne göre, insanlar Dünya'nın yüzey zarındaki IMP eşdeğerleridir. Alıcılar ve efektörler olarak insanlar, çevresel “sinyalleri” aldıkları ve gezegenin zar kapılarının anahtarlama mekanizmaları olarak hizmet ettikleri Dünya'nın zarfındaki desenli ağlara (topluluk) bir araya gelirler ve entegre olurlar.
Bu çalışmalar, geçmiş ve gelecekteki evrimin, hücre zarının yapısında ve detaylandırılmasında matematiksel olarak modellenebileceğini ortaya koymaktadır. İki boyutlu membran yüzey alanını üç boyutlu bir hücre alanına düzenlemenin en iyi yolu, fraktal geometri kullanmaktır.
Nature'da, çoğu inorganik ve organik yapı "düzensiz" bir model ifade eder. Bununla birlikte, düzensizliklerin görünen kaosu içinde, düzensiz yapıların “düzenli” tekrarlandığı (yani, bir düzen biçimi gösterdikleri) görülür. Örneğin, bir ağacın dalındaki dallanma modeli, genellikle ağacın gövdesinde gözlenen dallanma modelinin aynısıdır. Büyük bir nehrin dallanma modeli, daha küçük kolları boyunca gözlemlenen dallanma modeliyle aynıdır. Bronş boyunca dalların paterni, en küçük bronşiyoller boyunca hava yolu dallarının paterninin bir tekrarıdır. Vücuttaki tekrarlanan dallanma modellerinin benzer görüntüleri arteriyel ve venöz kan damarlarında ve periferik sinir sisteminde ortaya çıkar.
Fransız matematikçi Benoit Mandelbrot, Nature'ın birçok nesnesinin geometrisinin, incelendiği ölçeğe bakılmaksızın benzer bir model ortaya çıkardığını ilk fark eden kişiydi. Görüntüyü ne kadar büyütürseniz, yapı o kadar aynı görünür. Mandelbrot, bu tür nesneleri tanımlamak için "kendine benzer" terimini kullandı. 1975'te Mandelbrot, düzensiz ve parçalanmış kendine benzeyen şekiller için uygun bir etiket olarak fraktal kelimesini icat etti.
Fraktalların matematiği, toplama ve çarpma işlemlerinin tekrarlanmasından ibaret olması bakımından şaşırtıcı derecede basittir. Süreçte, bir işlemin sonucu sonraki işlem için girdi olarak kullanılır; bu işlemin sonucu sonraki işlem için girdi olarak kullanılır ve bu böyle devam eder. Matematiksel olarak tüm "işlemler" aynı formülü kullanır, ancak çözümü elde etmek için milyonlarca kez tekrarlanmaları gerekir. Fraktal bir denklemi tamamlamak için gereken el emeği ve zaman, güçlü bilgisayarların ortaya çıkışı Benoit Mandelbrot'un bu yeni matematiği tanımlamasını sağlayana kadar matematikçilerin Fraktal Geometri'nin “gücünü” tanımasını engelledi.
Klasik geometride noktalar, çizgiler, yüzey alanları ve kübik yapıların tümü, sırasıyla 0-, 1-, 2- ve 3 boyutlu tam sayılarla ifade edilen boyutları temsil eder. Fraktal geometri, daha "boyutlar arası" görüntüleri modellemek için kullanılır. Örneğin, eğri bir çizgi 1 boyutlu bir nesnedir. Fraktallarda eğri o kadar çok zikzak yapabilir ki, düzlemi doldurmaya gerçekten yaklaşır. Çizginin eğrisi nispeten basitse, 1 boyutuna yakındır. Çizginin eğrileri, alanı dolduracak kadar sıkışıksa, çizgi 2-boyuta yaklaşır. Fraktal Geometri, tam sayı boyutları arasındaki boşlukları doldurur.
Fraktalların yapısal bir karakteristiğinin anlaşılması görece basittir: fraktallar, birbiri içine yerleştirilmiş yinelenen bir "yapı" örüntüsü sergiler. Her küçük yapı bir minyatürdür, ancak daha büyük formun tam bir versiyonu olması gerekmez. Fraktal matematik, bütünde görülen örüntüler ile bu bütünün parçalarında görülen örüntüler arasındaki ilişkiyi vurgular. Örneğin, bir daldaki dalların deseni, gövdeden dallanan uzuvların desenine benzer. Fraktal nesneler, bir "kutu" içinde, bir "kutu" içinde, bir "kutu" içinde, vb. Bir "kutu" ile temsil edilebilir. İlk "kutu" nun parametrelerini bilirseniz, otomatik olarak temel diğer tüm (daha büyük veya daha küçük) "kutuları" karakterize eden desen.
W. Allman'ın Matematik İnsan Yaşamının Matematiği makalesinde açıklandığı gibi (referans bölümünde alıntılanmıştır), “Fraktallerin matematiksel çalışmaları, bir fraktalın dallanma-içinde-dallanma yapısının, üç boyutlu uzay…. ” Hücre zarı gerçekte 3 boyutlu bir nesne iken, moleküler çift tabakası sabit ve muntazam bir kalınlığa sahiptir. Böylelikle zarın kalınlığı ihmal edilebilir ve zar 2 boyutlu bir “yüzey-alan” yapısı olarak modellenebilir. Evrim, zarın farkındalığının modellenmesi olduğundan (yüzey alanına bağlı olarak), fraktal geometri tarafından sağlanan modellemenin verimliliği büyük olasılıkla Doğa tarafından seçileni yansıtacaktır.
Önemli olan modellemenin matematiğine kapılmamaktır. Mesele şu ki, fraktal model, evrimin birbiri içine yuvalanmış yinelenen bir “yapılar” modeline dayanacağını öngörüyor! Daha spesifik olarak, Fraktal Evrim kavramıyla ilgili olduğu için, "bütünün modeli bütünün parçalarında görülür", bu, insanın modelinin insanın parçalarında (hücrelerinde) görüldüğü anlamına gelir. Bir hücrenin işlevsel olarak düzenlendiği örüntüden haberdar olunursa, bir hücrenin organizasyonu hakkında da bir içgörü sağlanır. Şunu bir düşünün: Daha küçük yapıların fraktal görüntüleri, daha büyük bütünün minyatürleridir. Bu nedenle, insanın yapısı kendi hücrelerinin kendine benzeyen bir görüntüsü olsa da, insan uygarlığının yapısı, bileşen insanın kendine benzer bir yapısını temsil edecektir!
İnsanlar toplumun fraktal bir görüntüsüdür, hücreler insanın fraktal bir görüntüsüdür. Aslında hücreler aynı zamanda toplumun fraktal bir görüntüsüdür. Evrimin fraktal doğası, evrimin üç döngüsünün her birinde gözlemlenen yinelenen, kendi kendine aynı kalıplarla daha da ifade edilir.