Еволюція за допомогою BITs і Pieces: Вступ до фрактальної еволюції
Межа мембрани, що охоплює кожну біологічну клітину, становить структурну основу біологічної процесорної системи (див. Статтю: Клітинна свідомість). Як процесор, мембранні рецептори клітини сканують навколишнє середовище на наявність сигналів. Очевидно, навколишнє середовище переповнене сигналами. Якби всі сигнали були чутні, оточення звучало б як гучний шум. Однак специфічність прийому, яка характерна для кожного рецептора IMP, дозволяє йому розрізнити свій додатковий сигнал від усього змішаного навколишнього шуму. Здатність клітини вибірково фільтрувати корисну інформацію з «хаотичного» шуму нагадує функцію перетворень Фур'є [математичні процеси фільтрації, які знаходять сигнали всередині того, що здається шумом] на складних входах для сприйняття конкретних частот як інформаційних сигналів. Хоча довкілля у певному сенсі «хаотичне», із сотнями і тисячами одночасно виражених «сигналів», клітина може вибірково зчитувати лише ті сигнали, які мають значення для її існування.
Виходячи з функціональних та структурних особливостей клітинної мембрани, кожна окрема клітина (наприклад, амеба) являє собою мікрокомп'ютерна система з власним живленням. Як і в цифрових комп’ютерах, потужність або об’єм обробки інформації “стільникового” комп’ютера визначається кількістю його BIT, якими він може керувати. У комп’ютерах BIT є комплексами ворота / каналу, в мембранному процесорі BIT представлені рецепторно-ефекторними комплексами. Молекули IMP, що містять BIT клітини, мають визначені фізичні параметри і тому можуть бути "виміряні".
Розміри білків IMP приблизно однакові з товщиною мембрани. Оскільки IMP, за визначенням, знаходяться в бішарі мембрани, білки можуть бути влаштовані лише як моношар (тобто IMP не можуть бути складені один на одного). Якщо використовувати метафору про хліб з маслом та оливковим сендвічем, на хліб можна накласти стільки оливок. Щоб у бутерброді було більше оливок, потрібно використовувати більшу скибочку хліба. Те саме стосується збільшення кількості одиниць сприйняття ІМП в мембрані: чим більше ІМП - тим більша площа поверхні мембрани потрібна для їх утримання. Можливість клітини обробляти інформацію (що відображається в кількості сприймаючих білків) безпосередньо пов’язана з площею поверхні мембрани.
Глибока суть цього дискурсу ... Біологічна свідомість є вимірною властивістю, і вона є безпосередньо співвідносяться з площею поверхні мембрани клітини. Отже, обчислювальна потужність клітини фізично визначається обмеженнями клітинних розмірів.
Команда перша фаза еволюції життя стосувався розвитку та вдосконалення індивідуального біологічного комп'ютерного "чіпа", примітивної бактерії. Розміри цих первісних організмів обмежуються тим, що вони мають жорсткий зовнішній скелет, похідний від полісахаридів глікокаліксу. Матрикс, що утворюється в результаті зшивання молекул цукру в цій «оболонці», забезпечує захисний «скелет» клітини, який називається капсулою. Капсула фізично підтримує та захищає тонку мембрану клітини від розриву під напругою осмотичного тиску.
Осмотичний тиск - це сила, що генерується прагненням води рухатись через мембрану, щоб "збалансувати" концентрацію частинок з кожного боку мембранного бар'єру. Цитоплазма клітини наповнена частинками порівняно з водою, в якій живуть клітини. Вода із зовнішнього середовища буде проходити через мембрану, щоб розбавити концентрацію частинок цитоплазми. Клітина набухала водою, а тиск призвів до розриву ніжного мембранного шару, що призвело до загибелі клітини. Екзоскелет глікокаліксу протистоїть осмотичному тиску, що загрожує життю.
Бактерії є клітинним еквівалентом безхребетних (тварини, що не мають внутрішнього підтримуючого скелета (наприклад, молюски, комахи, медузи). Хоча скелет захищає бактерію, її жорстка природа також обмежує її. Розмір клітинної бактерії обмежується зовнішнім Обмеження розміру обмежує кількість мембрани, яку може мати клітина. Площа поверхні мембрани пропорційна поінформованості на основі кількості ІМП, яку вона може містити. Бактеріальна капсула обмежує еволюцію клітини, оскільки існує обмеження кількості одиниць сприйняття мембрана може містити.
Насправді більша частина поверхні мембрани бактерії використовується для розміщення необхідних комплексів IMP, необхідних для виживання клітин. Однак кожна бактерія також здатна дізнатися про шість додаткових екологічних "сигналів". Наприклад, бактерія може набути здатності протистояти антибіотику, що потрапляє в навколишнє середовище. Це робиться шляхом створення поверхневого рецептора, який зв’язує та інгібує молекули антибіотика. Новий рецептор є принципово еквівалентом білкового "антитіла", яке наші імунні клітини створюють для нейтралізації інвазивного антигену.
Створення нового рецептора, за визначенням, означає, що повинен бути новий ген, створений для запам'ятовування амінокислотного коду цього білка. У бактеріях ці "нові" пам'ять гени присутні у вигляді крихітних кіл ДНК, які називаються плазмідами. Плазміди фізично не прикріплені до хромосоми, що забезпечує спадковість клітини, і вільно плавають у цитоплазмі. Бактерії здатні створити в середньому близько шести різний плазміди, кожна отримана з унікального навчального «досвіду». Обмеження кількості плазмід, якими володіє клітина, не зумовлене нездатністю виробляти ДНК. Бо бактерія може зробити тисячі копій будь-якої окремої плазміди, якою вона володіє. Обмеження повинні бути пов'язані з тим, що кожен "новий" комплекс сприйняття білка вимагає одиниці площі поверхні для вираження своїх функцій. Неможливість розширити мембрану (тобто площа поверхні) обмежує здатність бактерії набувати нових сприйняттів (усвідомлення).
Чим більше обізнаності, тим більша здатність виживати. Обмеження щодо підвищення рівня обізнаності людей призвели до того, що бактерії живуть у слабозв'язаних громадах. Якщо окрема бактерія може "дізнатись" шість фактів про навколишнє середовище, то сотня бактерій у сукупності може знати про 600 фактів. Бактерії розробили механізми передачі копій своїх плазмід іншим бактеріям у спільноті. Передаючи копії своєї «вивченої» ДНК, вони діляться своєю «обізнаністю» із громадою. Бактерії можуть перенести плазміду іншій особині. Бактерія-реципієнт може використовувати “обізнаність” донорської плазміди протягом свого життя, але, як правило, не може передавати копії плазміди своєму потомству дочірньої клітини.
Бактерії мають тонкі щупальцеподібні виступи, які виходять із зовнішньої поверхні, що називається пілі. Коли ворсинки двох бактерій стикаються, мембрани пілуса можуть на мить злитися, з’єднавши цитоплазму двох клітин. На момент злиття дві бактерії можуть обмінюватися копіями своїх плазмід. Бактерії також здатні зачищати вільно плаваючу ДНК в навколишньому середовищі, тому плазміди, що потрапляють у навколишнє середовище, як це може статися, коли клітина гине і її цитоплазма витікає, можуть бути очищені іншими клітинами. Однак навколишнє середовище жорстке для вільно плаваючої ДНК, і плазміди легко руйнуються. Третій, більш ефективний засіб розповсюдження плазмід “обізнаності” виник, коли бактерії дізналися, як упаковувати свою плазмідну ДНК у захисні білкові оболонки, створюючи віруси. Віруси містять “інформацію”, яка потрапляє в інші окремі клітини навколишнього середовища. Деякі віруси вбивають клітини, які їх підхоплюють, тоді як інші віруси захищають клітини, які вони «заражають». Іноді "інформація" підтверджує життя, іноді вона смертельна.
Спільноти бактерій створили засіб для збільшення свого виживання, розгорнувши позаклітинний матрикс полісахариду, щоб огортати всі клітини спільноти та «захищати» їх від спустошення дикого середовища. Окремі бактерії мали змогу рухатись через “зрошувані” канали всередині матриксу. Канали також дозволяли спілкуватися позаклітинними матеріалами та інформаційними молекулами, що забезпечувало комунальну інтеграцію між усіма членами громади. Клітинна спільнота може бути заселена різноманітними видами бактерій. Наприклад, побічні кисню анаеробні форми бактерій можуть жити на дні спільноти, тоді як аеробні бактерії, що люблять кисень, є на верхніх рівнях цієї спільноти. Бактерії всередині спільноти можуть легко обмінюватися своєю ДНК і тим самим дозволяють клітинним громадянам набувати спеціалізованих, диференційованих функцій.
Ці укладені в матрицю бактеріальні спільноти називаються біоплівками (див. Ілюстрацію нижче). Біоплівки стали дуже важливими, оскільки зараз визнано захищати бактеріальні спільноти від антибіотиків. Бактерії, що утворюють порожнини зубів, насправді є біоплівковими спільнотами, які протистоять нашим зусиллям, щоб їх вимити з наших зубів. Опірний і захисний характер біоплівки дозволив цим спільнотам бути першими формами життя, які покинули океан і жили на суші.
Багато років тому біолог Лін Маргуліс заснував концепцію, що мітохондрії - це бактеріоподібні організми, які вторглися в цитоплазму більш досконалих ядерних клітин, які називаються еукаріотів. Спочатку її ідеї висміювали істеблішмент, але з роками це стало загальновизнаним переконанням. Цікаво, що розуміння спільної природи бактерій у біоплівках пропонує інше тлумачення.
Мікрофотографія ліворуч ілюструє приклад біоплівки в легенях людини. Інфекційний псевдомонадний бактеріальний наліт укладений у темний забарвлюючий позаклітинний матрикс (див. Стрілку), що містить біоплівку. Інкапсуляція в матриксі захищає бактерії від зусиль імунної системи їх знищити. Матриця, в основному з вуглеводів, може також містити м’язові білки, актин та міозин, які знаходяться пов’язаними із зовнішніми поверхнями деяких бактерій. Зовнішні білки актину та міозину дають можливість бактеріям рухатися в матриці плівки.
Мікрофотографія праворуч - це та сама картина, але з «мембраною», намальованою по периферії плівки. Мембрана навколо плівки дозволить бактеріальному співтовариству точно контролювати склад та характер навколишнього середовища, необхідний розвиток, який би покращив їх виживання. Ця модифікована плівка нагадує цитологічну анатомію еволюційно вдосконаленої еукаріотичної клітини. У цьому випадку бактерії представляли б органели клітини, а матриця плівки представляла б багату на цитоскелет цитоплазму між органелами. Цікаво, що цитоплазма еукаріотів має багато однакових структурних компонентів, що характеризують матрицю біоплівки. Особливо це стосується актину та міозину, які дозволяють бактеріям рухатися у плівці так само, як органели рухаються у цитоплазмі.
Суть цього обговорення полягає в тому, що більш розвинена еукаріотична клітина, а не як еволюціонувала одна сутність, може представляти еволюцію бактеріального співтовариства. Клітина представляла б тонко налаштовану спільноту прокаріотів, які диференціювались в органели. Така гіпотеза підтверджує переконання біологів-плеоморфів, невеликої, але стійкої групи вчених, які вважають, що мікроорганізми, пов'язані з хворобами, можуть представляти форми життя, що виникли, відкинувшись, від відмираючих клітин. Має сенс.
Незважаючи на це, на другій фазі еволюції відбулося походження більш досконалої еукаріотичної (ядерної) клітини. Однак еволюція припинилася, коли ядерна клітина досягла максимально конкретних розмірів, оскільки існують фізичні обмеження, що накладаються на клітинне життя. Якщо клітина спробує розширити свою поверхню за межі заданого розміру, клітина стане нестійкою, оскільки, якщо вона перевищує певні розміри, мембрана фізично не зможе стримати масу своєї цитоплазми. Це призведе до розриву мембрани та втрати мембранного потенціалу (з якого клітина черпає свою життєдайну енергію). Крім того, якщо клітина перевищує певний діаметр, тоді процес дифузії не дозволить достатньої кількості кисню для метаболічної обробки досягти центральної частини клітини.
Як результат, в історії еволюції перші 3 мільярди років в першу чергу були пов’язані з появою та еволюцією одноклітинних організмів (бактерій, водоростей, найпростіших). Саме походження багатоклітинних організмів являло собою альтернативний спосіб розширення площі мембрани (тобто потенціалу усвідомлення) за межі обмежень однієї клітини. Отже, на третьому етапі еволюції збільшення біологічної «комп’ютерної» потужності (обізнаності) було результатом того самого процесу організації у спільноти вищого порядку. Замість того, щоб підвищувати обізнаність про окрему еукаріотичну клітину, третя фаза еволюції стосувалася впорядкування окремих "чіпів" еукаріотичних клітин в інтерактивні збірки.
Ця "фаза" еволюції нагадує ту, що відбулася в комп'ютерній індустрії. Компанія Texas Instruments розробила чіп. Окремі фішки - це серце простого калькулятора. Однак, коли багато мікросхем були інтегровані та з'єднані між собою, вони забезпечили комп'ютер. Коли окремі комп’ютери досягли своєї максимальної потужності, суперкомп’ютери були створені шляхом об’єднання багатьох комп’ютерів в організоване “співтовариство паралельної обробки”. Відношення бактерії до еукаріотичної клітини рівноцінне відношенню чіпа до комп’ютера. Відношення еукаріотичної клітини до багатоклітинного організму таке саме, як відношення окремого комп’ютера до цілого в мережі паралельної обробки.
У комп’ютерах “потужність” машини вимірюється в обробних потужностях BIT. У біологічних організмах потенціал “усвідомлення” відображається в кількості та різноманітності інтегрованих комплексів ІМП. Оскільки кількість ІМП безпосередньо пов'язана з "площею поверхні", усвідомлення стає фактором спільних мембранних поверхонь у багатоклітинних організмах.
Враховуйте, що взаємозв'язок площі поверхні з еволюцією мозку хребетних. Мозок перших хребетних - це маленькі, гладкі сфери. Коли хтось піднімається по еволюційній драбині, мозок стає більшим, і згодом більша площа поверхні отримується з інформаційних швів на поверхні мозку, які виробляють характерні борозни (борозенки) і звивини (складки) більш досконалого мозку. Цікаво, що, розглядаючи обізнаність з точки зору поверхні мозку, люди посідають друге місце, оскільки мозок морських свиней та дельфінів має більшу площу поверхні.
Вважається, що подібно до одноклітинних найпростіших, люди представляють ще одну еволюційну кінцеву точку, найвищий рівень розвитку багатоклітинної біологічної структури. У серії подій, надмірних тим, що відбулися в попередніх двох циклах еволюції, еволюція людини продовжувалась через процес збору та інтеграції індивідів у багатоклітинну спільноту. У цій спільноті, відомій як людство, роль кожної людини аналогічна ролі однієї клітини в конструкції людини. У глобальному уявленні про Землю як живий організм (Гея), люди є еквівалентами ІМП у поверхневій мембрані Землі. Люди, як рецептори та ефектори, збираються та інтегруються у візерункові мережі (спільноти) в оболонці Землі, де вони отримують екологічні «сигнали» та служать механізмами перемикання мембранних воріт планети.
Ці дослідження виявляють, що минулу та майбутню еволюцію можна математично змоделювати в структурі та розробці клітинної мембрани. Найкращий спосіб організувати двовимірну поверхню мембрани у тривимірний клітинний простір - це використання фрактальної геометрії.
У природі більшість неорганічних та органічних структур виражають “неправильний” малюнок. Однак у межах очевидного хаосу порушень виявляється, що нерегулярні структури «регулярно» повторюються (тобто вони мають певний порядок). Наприклад, малюнок розгалуження на гілочці дерева - це часто той самий зразок розгалуження, який спостерігається на стовбурі дерева. Структура розгалуження великої річки ідентична схемі розгалуження, що спостерігається вздовж її менших приток. Структура гілок уздовж бронха - це повторення структури гілок дихальних шляхів уздовж найменших бронхіол. Подібні зображення повторних моделей розгалуження в організмі виявляються в артеріальних та венозних судинах та периферичній нервовій системі.
Французький математик Бенуа Мандельброт був першим, хто визнав, що геометрія багатьох об'єктів природи виявляє схожий малюнок незалежно від масштабу, на якому він досліджувався. Чим більше ви збільшуєте зображення, тим більше структура виглядає однаковою. Мандельброт ввів термін "самоподібний" для опису таких об'єктів. «У 1975 році Мандельброт ввів слово фрактал як зручний ярлик для неправильних та фрагментованих самоподібних форм.
Математика фракталів надзвичайно проста в тому, що вона складається з повторення “операцій” додавання та множення. У процесі результат однієї операції використовується як вхід для подальшої операції; результат цієї операції потім використовується як вхід для наступної операції тощо. Математично всі "операції" використовують точно ту саму формулу, однак їх потрібно повторити мільйони разів, щоб отримати рішення. Ручна праця та час, необхідні для складання рівняння фракталів, заважали математикам визнавати «силу» фрактальної геометрії, поки поява потужних комп’ютерів не дозволила Бенуа Мандельброту визначити цю нову математику.
У класичній геометрії точки, лінії, площі поверхні та кубічні структури представляють розміри, виражені цілими цілими, 0-, 1-, 2- та 3-вимірами відповідно. Фрактальна геометрія застосовується для моделювання зображень, які є більш «міжвимірними». Наприклад, крива лінія - це одновимірний об'єкт. У фракталах крива може настільки зигзагоподібно, що насправді наближається до заповнення площини. Якщо крива лінії порівняно проста, вона близька до розмірності 1. Якщо криві лінії настільки щільно упаковані, що заповнюють простір, лінія наближається до 1-мірності. Фрактальна геометрія заповнює проміжки між вимірами цілого числа.
Структурну характеристику фракталів порівняно просто зрозуміти: фрактали демонструють повторний зразок «структур», вкладених одна в одну. Кожна менша структура - це мініатюра, але не обов’язково точна версія більшої форми. Фрактальна математика підкреслює взаємозв'язок між закономірностями, що спостерігаються в цілому, і закономірностями, що спостерігаються в частинах цього цілого. Наприклад, малюнок гілочок на гілці нагадує малюнок кінцівок, що відгалужуються від стовбура. Фрактальні об'єкти можуть бути представлені "коробкою" у "коробці", у "коробці", у "коробці" тощо. Якщо хтось знає параметри першої "коробки", тоді він автоматично отримує основне візерунок, що характеризує всі інші (більші чи менші) "коробки".
Як описано в статті "Математика людського життя" В. Олмана (цитована в довідковому розділі), "Математичні дослідження фракталів показують, що структура розгалуження всередині розгалуження фрактала являє собою найкращий спосіб отримати найбільшу площу поверхні за три -вимірний простір ... " Поки клітинна мембрана насправді є тривимірним об'єктом, її молекулярний бішар має постійну і рівномірну товщину. Таким чином, товщину мембрани можна ігнорувати, і мембрану можна змоделювати як двовимірну структуру "площі поверхні". Оскільки еволюція є моделюванням усвідомлення мембрани (пов'язаної з її площею поверхні), ефективність моделювання, забезпечена фрактальною геометрією, швидше за все, відображатиме обрану Природою.
Справа не в тому, щоб захоплюватися математикою моделювання. Справа в тому, що фрактальна модель передбачає, що еволюція буде базуватися на повторюваному зразку «структур, вкладених одна в одну! Більш конкретно, оскільки це стосується концепції Фрактальної Еволюції, «модель цілого бачиться в частинах цілого», це означає, що модель людини бачиться в частинах (клітинах) людини. Якщо хтось знає шаблон, за яким клітина функціонально організована, то йому також надається розуміння організації людини. Розгляньте це: фрактальні зображення менших структур є мініатюрами більшого цілого. Отже, хоча структура людей - це подібний образ власних клітин, структура людської цивілізації буде представляти собою подібну структуру її компонентів - людей!
Люди - це фрактальний образ суспільства, клітини - фрактальний образ людини. Насправді клітини - це також фрактальний образ суспільства. Фрактальна природа еволюції додатково випливає з повторюваних, однакових закономірностей, що спостерігаються в кожному з трьох циклів еволюції.