BIT和碎片的进化:分形进化概论
包围每个生物细胞的膜边界构成了生物处理器系统的结构基础(请参阅文章:细胞意识)。 作为处理器,细胞的膜受体会在环境中扫描信号。 显然,环境充斥着信号。 如果所有信号都是可听见的,那么环境听起来就像是刺耳的噪音。 但是,每个接收器IMP的特征是接收的特异性,使其能够从所有混杂的环境噪声中区分出其互补信号。 单元选择性地从“混沌”噪声中滤除有用信息的能力类似于复杂输入上的傅立叶变换(在似乎是噪声的信号中找到信号的数学滤波过程)的功能,以将特定频率视为信息信号。 尽管环境在某种意义上是“混乱的”,有成千上万个同时表达的“信号”,但该单元只能选择性地读取与其存在相关的那些信号。
根据细胞膜的功能和结构特征,每个单个细胞(例如变形虫)代表一个 自供电微机系统。 就像在数字计算机中一样,“蜂窝”计算机的能力或信息处理能力取决于它可以管理的BIT数量。 在计算机中,BIT是门/通道复合物,在膜处理器中,BIT是由受体/效应物复合物表示。 包含细胞BIT的IMP分子具有定义的物理参数,因此可以“测量”。
IMP蛋白的尺寸与膜的厚度大致相同。 根据定义,由于IMP驻留在膜的双层中,因此蛋白质只能排列为单层(这意味着IMP不能彼此堆叠)。 用面包和黄油以及橄榄三明治的比喻,面包上只能叠放很多橄榄。 要在三明治中放更多的橄榄,需要使用更大的面包。 这同样适用于增加膜中感知IMP单元的数量:IMP越多-保持它们所需的膜表面积越大。 细胞的信息处理能力(反映在感知蛋白的数量上)直接与膜的表面积有关。
这种话语的深刻之处是……生物意识是可衡量的,并且是 直接相关 与细胞膜的表面积有关。 因此,小区的计算能力由施加在小区尺寸上的限制在物理上确定。
进化的第一阶段 生活中涉及到个体生物计算机“芯片”(原始细菌)的开发和完善。 这些原始生物体的大小受到以下事实的制约:它们具有源自糖萼多糖的刚性外部骨架。 糖分子在该“涂层”中交联产生的基质为细胞提供了保护性的“骨架”,称为胶囊。 胶囊物理上支撑和保护细胞的薄膜,使其在渗透压的作用下不会破裂。
渗透压是由水流过膜以“平衡”膜屏障每一侧上的颗粒浓度而产生的力。 与细胞所生活的水相比,细胞的细胞质充满了颗粒。 来自外部环境的水将通过膜以稀释细胞质颗粒的浓度。 细胞会因水膨胀而膨胀,压力将导致脆弱的双层膜破裂,从而杀死细胞。 糖萼外骨骼抵抗威胁生命的渗透压。
细菌是无脊椎动物的细胞等价物(无内部支撑骨架的动物(例如,蛤,昆虫,海el)。虽然该骨架保护细菌,但其刚性也限制了细菌的生长,细菌细胞的大小受到其外部的限制。尺寸的限制限制了细胞可以拥有的膜的数量,膜的表面积与感知力成正比,取决于它可以包含的IMP的数量细菌胶囊限制了细胞的进化,因为单位数量是有上限的膜可以包含的感知能力
实际上,大多数细菌的膜表面积用于容纳细胞存活所需的必要IMP复合物。 但是,每种细菌也能够了解另外六个环境“信号”。 例如,细菌可以获得抵抗引入到环境中的抗生素的能力。 它通过产生结合并抑制抗生素分子的表面受体来做到这一点。 从本质上讲,新受体与我们的免疫细胞产生的蛋白质“抗体”等效,以中和侵入性抗原。
根据定义,新受体的产生意味着必须创建一个新基因来记住该蛋白质的氨基酸代码。 在细菌中,这些“新” 记忆 基因以称为质粒的DNA小圆圈存在。 质粒没有物理附着在提供细胞遗传的染色体上,而是在细胞质中自由漂浮。 细菌平均能够产生约六种细菌 不同 质粒,每个质粒均来自独特的学习“经验”。 细胞拥有的质粒数目的限制不是由于不能产生DNA。 对于细菌而言,它可以复制其拥有的任何单个质粒的数千个拷贝。 这些限制必须与以下事实有关:每个“新”蛋白质感知复合体都需要一个表面积单位来表达其功能。 无法扩展其膜(即表面积)限制了细菌获得新知觉(意识)的能力。
意识越强,生存能力就越大。 个体提高意识的局限性导致细菌生活在松散的编织社区中。 如果单个细菌可以“学习”有关环境的六个事实,那么一百个细菌就可以共同了解600个事实。 细菌开发了将其质粒的副本转移到社区中其他细菌的机制。 通过转移其“已学习” DNA的副本,他们与社区共享了“意识”。 细菌可以将质粒转移到另一个个体。 受体细菌可以在其一生中利用捐赠质粒的“意识”,但通常无法将质粒的副本传递给其子代细胞后代。
细菌具有从其外表面延伸的细小触手状突起,称为菌毛。 当来自两种细菌的菌毛接触时,菌毛膜可能会瞬间融合,从而将两种细胞的细胞质结合在一起。 在融合的瞬间,两种细菌可以交换它们质粒的拷贝。 细菌还能够掩盖环境中的游离浮动DNA,因此释放到环境中的质粒可能会被其他细胞清除,这可能是当细胞死亡并且其细胞质泄漏出去时发生的情况。 但是,自由浮动的DNA的环境很恶劣,质粒很容易分解。 当细菌学会了如何将其质粒DNA包装到保护性蛋白壳中并产生病毒时,出现了第三种更有效的分配“意识”质粒的方法。 病毒包含释放到环境中其他单个细胞的“信息”。 一些病毒杀死捡拾它们的细胞,而其他病毒保护它们“感染”的细胞。 有时“信息”肯定了生命,有时却是致命的。
细菌群落进化出一种方法,可以通过部署多糖胞外基质来包裹群落中的所有细胞并“保护”它们免受野生环境的破坏,从而提高其存活率。 个别细菌能够通过基质内的“灌溉”通道移动。 这些渠道还允许细胞外物质和信息分子的交流,从而在社区的所有成员之间提供了公共融合。 细胞群落中可能充满了各种细菌。 例如,厌氧的厌氧细菌可以生活在社区的最底层,而爱好氧气的需氧细菌则存在于同一社区的上层。 社区内的细菌很容易交换其DNA,从而使细胞内的公民能够获得专门的,有区别的功能。
这些包裹有基质的细菌群落称为生物膜(见下图)。 生物膜已经变得非常重要,因为它们现在被认为可以保护细菌群落免受抗生素的侵害。 形成蛀牙的细菌实际上是生物膜群落,它们阻止了我们从牙齿上冲刷它们的努力。 生物膜的电阻性和保护性使这些社区成为离开海洋并在陆地上生活的第一种生命形式。
许多年前,生物学家林恩·马古利斯(Lynn Margulis)提出了线粒体是一种细菌样生物的概念,它侵入了更高级的含核细胞(真核生物)的细胞质。 起初,她的想法被该机构嘲笑,但多年来,它已成为一种被广泛接受的信念。 有趣的是,对生物膜中细菌公共性质的理解提供了另一种解释。
左侧的显微照片举例说明了人肺中生物膜的一个例子。 感染性假单胞菌细菌团被包裹在包含生物膜的深色染色细胞外基质中(见箭头)。 封装在基质中可保护细菌免受免疫系统破坏细菌的影响。 主要由碳水化合物制成的基质还可以包含肌肉蛋白,肌动蛋白和肌球蛋白,它们被发现与某些细菌的外表面结合。 外部肌动蛋白和肌球蛋白使细菌能够在薄膜基质内移动。
右边的显微照片是同一张照片,但在胶片的外围画有一个“膜”。 膜周围的膜将使细菌群落能够精细地控制其环境的组成和特征,这是必不可少的发展,可以提高其生存能力。 这种修饰的膜类似于进化更高级的真核细胞的细胞学解剖结构。 在这种情况下,细菌将代表细胞的细胞器,而薄膜的基质将代表细胞器之间富含细胞骨架的细胞质。 有趣的是,真核生物的细胞质具有许多与生物膜基质相同的结构成分。 肌动蛋白和肌球蛋白尤其如此,它使细菌能够以与细胞器在细胞质中移动相同的方式在膜中移动。
讨论的重点是,更高级的真核细胞而不是进化的单个实体,可能代表细菌群落的进化。 一个细胞将代表一个微调的原核生物群落,已经分化为细胞器。 这种假设支持多形生物学家的信念,这是一小群但坚定的科学家,他们相信与疾病相关的微生物可能代表着从死亡细胞中萌芽而来的生命形式。 说得通。
无论如何,进化的第二阶段看到了更复杂的真核(有核)细胞的起源。 但是,当有核细胞达到其最大特定大小时,进化就停止了,因为对细胞生命存在物理限制。 如果细胞试图将其表面积扩大至超过给定大小,则细胞将变得不稳定,因为如果其超过某些尺寸,则膜将无法物理地约束其细胞质的质量。 这将导致膜破裂和膜电位损失(细胞从中汲取其赋予生命的能量)。 而且,如果细胞超过一定直径,则扩散过程将不能使足够的氧气用于代谢过程到达细胞的中心部分。
结果,在进化史上,最初的3亿年主要与单细胞生物(细菌,藻类,原生动物)的出现和进化有关。 这是多细胞生物的起源,它代表了一种扩大膜表面积(即意识潜能)的方法,超越了单细胞的局限性。 因此,在相当于进化的第三阶段的过程中,生物“计算机”能力(意识)的增加是由组织成更高阶社区的相同过程导致的。 进化的第三阶段并没有提高对单个真核细胞的认识,而是关注单个真核细胞“芯片”进入互动装配的顺序。
演化的“阶段”类似于计算机行业中发生的阶段。 德州仪器(TI)开发了该芯片。 单个芯片是简单计算器的核心。 但是,当许多芯片集成在一起并连接在一起时,它们就提供给计算机了。 当单个计算机达到其最大功能时,超级计算机就是通过将许多计算机组装成一个有组织的并行处理“社区”来创建的。 细菌与真核细胞的关系等于芯片与计算机的关系。 真核细胞与多细胞生物的关系与并行处理网络中单个计算机与整体的关系相同。
在计算机中,机器的“功率”以BIT处理能力来衡量。 在生物有机体中,“意识”潜力体现在集成的IMP复合物的数量和种类上。 由于IMP的数量与“表面积”直接相关,因此意识成为多细胞生物中共享膜表面的一个因素。
考虑与脊椎动物大脑进化有关的表面积关系。 首先,脊椎动物的大脑是小的,光滑的球体。 随着人的进化阶梯的上升,大脑变得更大,随后更多的表面积来自大脑表面的褶皱,产生了更高级大脑的特征性沟纹(沟)和回旋(褶皱)。 有趣的是,考虑到大脑表面的意识时,人类排名第二,因为海豚和海豚的大脑表面积更大。
有人提出,与单细胞原生动物相似,人类代表了另一个进化终点,即多细胞生物学结构的最高发展水平。 在一系列与前两个进化周期中发生的事件无关的事件中,人类进化通过个体的集合和整合成为多“细胞”社区的过程而继续进行。 在这个被称为人类的社区中,每个人的角色都类似于人类构建物中单个细胞的角色。 在地球作为活生物体(Gaia)的全球视野中,人类是地球表面膜的IMP等效物。 人类作为受体和效应器,在地球的外壳中组装并整合成带图案的网络(社区),在其中它们接收环境“信号”,并充当行星膜闸的开关机制。
这些研究表明,过去和未来的进化可以在细胞膜的结构和精细化过程中进行数学建模。 将二维膜表面积组织成三维单元空间的最佳方法是采用分形几何形状。
在自然界中,大多数无机和有机结构都表现出“不规则”模式。 然而,在不规则结构的明显混乱中,人们发现不规则结构是“有规律地”重复的(即,它们表现出一种有序的形式)。 例如,树枝的分支模式通常与在树干上观察到的分支模式相同。 一条主要河流的分支模式与沿其较小支流观察到的分支模式相同。 沿着支气管的分支模式是沿着最小的细支气管的气道分支模式的重申。 在动脉和静脉血管以及周围神经系统中发现了体内重复分支模式的相似图像。
法国数学家Benoit Mandelbrot是第一个认识到自然物体许多物体的几何形状都显示出相似图案的人,而不论其规模如何。 放大的图像越多,结构看起来就越相同。 Mandelbrot引入了“自相似”一词来描述此类对象。 “ 1975年,Mandelbrot创造了fractal一词,作为不规则和零散的自相似形状的便捷标签。
分形的数学非常简单,因为它包括重复加法和乘法的“运算”。 在此过程中,将一个操作的结果用作后续操作的输入; 然后将该操作的结果用作下一个操作的输入,依此类推。 从数学上讲,所有“运算”都使用完全相同的公式,但是,必须重复数百万次才能获得解决方案。 完成分形方程所需的体力劳动和时间使数学家无法认识到分形几何学的“力量”,直到功能强大的计算机问世使Benoit Mandelbrot定义了这一新数学。
在经典几何中,点,线,表面积和立方结构均表示分别以0、1、2、3和1整数表示的尺寸。 分形几何学被用来为更“跨维度”的图像建模。 例如,曲线是一维对象。 在分形中,曲线可能会弯曲得很大,以致实际上接近填充平面。 如果直线的曲线相对简单,则其尺寸接近于1。如果直线的曲线紧密堆积以致它们填满了空间,则直线接近2维。 分形几何填充了整数维之间的空间。
分形的结构特征相对容易理解:分形显示出相互嵌套的“结构”的重复模式。 每个较小的结构都是一个缩影,但不一定是该较大形式的精确版本。 分形数学强调整体模式与整体模式之间的关系。 例如,树枝上的树枝图案类似于从树干分支出来的四肢图案。 分形对象可以由“框”内的“框”,“框”内,“框”内等表示。如果知道第一个“框”的参数,则基本对象将自动提供。代表所有其他(较大或较小)“框”的图案。
如W. Allman在《人类生命的数学》一文(在参考部分中引用)中所述,“分形的数学研究表明,分形的分支内分支结构是在三分之二内获得最大表面积的最佳方法。维空间…。” 虽然细胞膜实际上是3维物体,但其分子双层具有恒定且均匀的厚度。 这样,可以忽略膜的厚度,并且可以将膜建模为二维“表面积”结构。 由于进化是对膜意识的建模(与膜的表面积有关),所以分形几何结构提供的建模效率极有可能反映出自然界所选择的效率。
重点不是要紧跟建模数学。 关键是分形模型预测进化将基于相互嵌套的“结构”的重复模式! 更具体地说,由于它涉及分形演化的概念,“整体的模式可见于整体的各个部分”,这意味着人类的模式可见于人体的各个部分(细胞)。 如果人们知道一个细胞的功能组织模式,那么就可以洞悉人类的组织。 考虑一下:较小结构的分形图像是较大整体的缩影。 因此,尽管人类的结构是其自身细胞的自相似图像,但人类文明的结构将代表其组成人类的自相似结构!
人类是社会的分形图像,细胞是人类的分形图像。 实际上,细胞也是社会的分形形象。 在三个演化周期的每一个中观察到的重复的,相同的模式进一步暗示了演化的分形性质。