BIT和碎片的進化:分形進化概論
包圍每個生物細胞的膜邊界構成了生物處理器系統的結構基礎(請參閱文章:細胞意識)。 作為處理器,細胞的膜受體會在環境中掃描信號。 顯然,環境充斥著信號。 如果所有信號都是可聽見的,那麼環境聽起來就像是刺耳的噪音。 但是,每個接收器IMP的特徵是接收的特殊性,使其能夠從所有混雜的環境噪聲中區分出其互補信號。 單元選擇性地從“混沌”噪聲中濾除有用信息的能力類似於在復雜輸入上進行傅立葉變換(在似乎是噪聲的信號中找到信號的數學濾波過程)的功能,以將特定頻率視為信息信號。 儘管環境在某種意義上是“混亂的”,有成千上萬同時表達的“信號”,但該單元只能選擇性地讀取與其存在相關的那些信號。
根據細胞膜的功能和結構特徵,每個單個細胞(例如變形蟲)代表一個 自供電微機系統。 就像在數字計算機中一樣,“蜂窩”計算機的能力或信息處理能力取決於它可以管理的BIT數量。 在計算機中,BIT是門/通道複合物,在膜處理器中,BIT是由受體/效應物複合物表示。 包含細胞BIT的IMP分子具有定義的物理參數,因此可以“測量”。
IMP蛋白的尺寸與膜的厚度大致相同。 根據定義,由於IMP駐留在膜的雙層中,因此蛋白質只能排列為單層(這意味著IMP不能彼此堆疊)。 用麵包和黃油以及橄欖三明治的比喻,麵包上只能疊放很多橄欖。 要在三明治中放更多的橄欖,需要使用更大的麵包。 這同樣適用於增加膜中感知IMP單元的數量:IMP越多-保持它們所需的膜表面積越大。 細胞的信息處理能力(反映在感知蛋白的數量上)直接與膜的表面積有關。
這種話語的深刻之處是……生物意識是可衡量的,並且是 直接相關 與細胞膜的表面積有關。 因此,小區的計算能力由施加在小區尺寸上的限制在物理上確定。
進化的第一階段 生活中涉及個人生物計算機“芯片”(原始細菌)的開發和完善。 這些原始生物體的大小受到以下事實的限制:它們具有源自糖萼多醣的剛性外部骨架。 糖分子在該“塗層”中交聯產生的基質為細胞提供了保護性的“骨架”,稱為膠囊。 膠囊物理地支撐和保護細胞的薄膜在滲透壓的作用下不破裂。
滲透壓是由水流過膜以“平衡”膜屏障每一側上的顆粒濃度而產生的力。 與細胞所生活的水相比,細胞的細胞質充滿了顆粒。 來自外部環境的水將通過膜以稀釋細胞質顆粒的濃度。 細胞會因水膨脹而膨脹,壓力將導致脆弱的雙層膜破裂,從而殺死細胞。 糖萼外骨骼抵抗威脅生命的滲透壓。
細菌是無脊椎動物的細胞等價物(無內部支撐骨架的動物(例如,蛤,昆蟲,海el)。雖然該骨架保護細菌,但其剛性也限制了細菌的生長,細菌細胞的大小受到其外部的限制。大小的限制限制了細胞可以擁有的膜的數量,膜的表面積與可容納的IMP的數量成正比,細菌的膠囊限制了細胞的進化,因為單位數量是有上限的膜可以包含的感知能力
實際上,大多數細菌的膜表面積用於容納細胞存活所需的必要IMP複合物。 但是,每種細菌也能夠了解另外六個環境“信號”。 例如,細菌可以獲得抵抗引入到環境中的抗生素的能力。 它通過產生結合併抑制抗生素分子的表面受體來做到這一點。 從本質上講,新受體與我們的免疫細胞用來中和侵襲性抗原的蛋白質“抗體”等效。
根據定義,新受體的產生意味著必須創建一個新基因來記住該蛋白質的氨基酸代碼。 在細菌中,這些“新” 記憶 基因以稱為質粒的DNA微小環存在。 質粒沒有物理附著在提供細胞遺傳的染色體上,而是在細胞質中自由漂浮。 細菌平均能夠產生約六種細菌 不同 質粒,每個質粒均來自獨特的學習“經驗”。 細胞擁有的質粒數目的限制不是由於不能產生DNA。 對於細菌而言,它可以復制其擁有的任何單個質粒的數千個拷貝。 這些限制必須與以下事實有關:每個“新”蛋白質感知複合體都需要一個表面積單位來表達其功能。 無法擴展其膜(即表面積)限制了細菌獲得新知覺(意識)的能力。
意識越強,生存能力就越大。 個體提高意識的局限性導致細菌生活在鬆散的編織社區中。 如果單個細菌可以“學習”關於環境的六個事實,那麼一百個細菌可以集體感知到600個事實。 細菌開發了將其質粒的副本轉移到社區中其他細菌的機制。 通過轉移其“已學習” DNA的副本,他們與社區共享了“意識”。 細菌可以將質粒轉移到另一個個體。 受體細菌可以在其一生中利用捐贈質粒的“意識”,但通常無法將質粒的副本傳遞給其子代細胞後代。
細菌具有從其外表面延伸的細小觸手狀突起,稱為菌毛。 當來自兩種細菌的菌毛接觸時,菌毛膜可能會瞬間融合,從而將兩種細胞的細胞質結合在一起。 融合時,兩種細菌可以交換其質粒的拷貝。 細菌還能夠掩蓋環境中的游離浮動DNA,因此釋放到環境中的質粒可能會被其他細胞清除,這可能是當細胞死亡並且其細胞質洩漏出去時發生的情況。 但是,自由浮動的DNA的環境很惡劣,質粒很容易分解。 當細菌學會瞭如何將其質粒DNA包裝到保護性蛋白殼中並產生病毒時,出現了第三種更有效的分配“意識”質粒的方法。 病毒包含釋放到環境中其他單個細胞的“信息”。 一些病毒殺死撿拾它們的細胞,而其他病毒保護它們“感染”的細胞。 有時“信息”肯定了生命,有時卻是致命的。
細菌群落進化出一種方法,可以通過部署多醣胞外基質來包裹群落中的所有細胞,並“保護”它們免受野生環境的破壞,從而提高其存活率。 單個細菌能夠通過基質內的“灌溉”通道移動。 這些渠道還允許細胞外物質和信息分子的交流,從而在社區所有成員之間提供了公共融合。 細胞群落中可能充滿了各種細菌。 例如,厭氧的厭氧細菌可以生活在社區的最底層,而愛好氧氣的需氧細菌則存在於同一社區的上層。 社區內的細菌很容易交換其DNA,從而使蜂窩居民能夠獲得專門的,有區別的功能。
這些包裹有基質的細菌群落稱為生物膜(見下圖)。 生物膜已經變得非常重要,因為它們現在被認為可以保護細菌群落免受抗生素的侵害。 形成蛀牙的細菌實際上是生物膜群落,它們阻止了我們從牙齒上沖刷它們的努力。 生物膜的電阻性和保護性使這些社區成為離開海洋並在陸地上生活的第一種生命形式。
許多年前,生物學家林恩·馬古利斯(Lynn Margulis)提出了線粒體是一種細菌樣生物的概念,它侵入了更高級的含核細胞(真核生物)的細胞質。 起初,她的想法被該機構嘲笑,但多年來,它已成為一種被廣泛接受的信念。 有趣的是,對生物膜中細菌公共性質的理解提供了另一種解釋。
左側的顯微照片舉例說明了人肺中生物膜的一個例子。 感染性假單胞菌細菌團被包裹在包含生物膜的深色染色細胞外基質中(見箭頭)。 封裝在基質中可以保護細菌免受免疫系統破壞細菌的影響。 主要由碳水化合物製成的基質也可以包含肌肉蛋白,肌動蛋白和肌球蛋白,它們被發現與某些細菌的外表面結合。 外部肌動蛋白和肌球蛋白使細菌能夠在薄膜基質內移動。
右邊的顯微照片是同一張照片,但在膠片的外圍畫有一個“膜”。 膜周圍的膜將使細菌群落能夠精細地控制其環境的組成和特徵,這是必不可少的發展,可以提高其生存能力。 這種修飾的膜類似於進化更高級的真核細胞的細胞學解剖結構。 在這種情況下,細菌將代表細胞的細胞器,而薄膜的基質將代表細胞器之間富含細胞骨架的細胞質。 有趣的是,真核生物的細胞質具有許多與生物膜基質相同的結構成分。 肌動蛋白和肌球蛋白尤其如此,它使細菌能夠以與細胞器在細胞質中移動相同的方式在膜中移動。
討論的重點是,更高級的真核細胞而不是進化的單個實體,可能代表細菌群落的進化。 一個細胞將代表一個經過微調的原核生物群落,它們已經分化為細胞器。 這種假設支持多形生物學家的信念,這是一個小而堅定的科學家群體,他們相信與疾病相關的微生物可能代表著從死亡細胞中萌芽而來的生命形式。 說得通。
無論如何,進化的第二階段看到了更複雜的真核(有核)細胞的起源。 然而,當有核細胞達到其最大特定大小時,進化就停止了,因為細胞生命受到物理限制。 如果細胞試圖將其表面積擴大至超過給定大小,則細胞將變得不穩定,因為如果其超過某些尺寸,則膜將無法物理地約束其細胞質的質量。 這將導致膜破裂和膜電位損失(細胞從中汲取其賦予生命的能量)。 而且,如果細胞超過一定直徑,則擴散過程將不能使足夠的氧氣用於代謝過程到達細胞的中心部分。
結果,在進化史上,前3億年主要與單細胞生物(細菌,藻類,原生動物)的出現和進化有關。 這是多細胞生物的起源,它代表了一種擴大膜表面積(即潛在的認知能力)的方法,超越了單細胞的局限性。 因此,在相當於進化的第三階段的過程中,生物“計算機”能力(意識)的增加是由組織成更高階社區的相同過程導致的。 進化的第三階段並沒有提高對單個真核細胞的認識,而是關注單個真核細胞“芯片”進入互動裝配的順序。
演化的“階段”類似於計算機行業中發生的階段。 德州儀器(TI)開發了該芯片。 單個芯片是簡單計算器的核心。 但是,當許多芯片集成在一起並連接在一起時,它們就提供給計算機了。 當單個計算機達到其最大功能時,超級計算機就是通過將許多計算機組裝成一個有組織的並行處理“社區”來創建的。 細菌與真核細胞的關係等於芯片與計算機的關係。 真核細胞與多細胞生物的關係與並行處理網絡中單個計算機與整體的關係相同。
在計算機中,機器的“功率”以BIT處理能力來衡量。 在生物有機體中,“意識”潛力體現在集成的IMP複合物的數量和種類上。 由於IMP的數量與“表面積”直接相關,因此意識成為多細胞生物中共享膜表面的一個因素。
考慮與脊椎動物大腦進化有關的表面積關係。 首先,脊椎動物的大腦是小的,光滑的球體。 隨著人的進化階梯的上升,大腦變得更大,隨後更大的表面積來自大腦表面的褶皺,而褶皺產生了更高級的大腦的特徵性溝紋(溝)和迴旋(褶皺)。 有趣的是,考慮到大腦表面的意識時,人類排名第二,因為海豚和海豚的大腦表面積更大。
有人提出,與單細胞原生動物相似,人類代表了另一個進化終點,即多細胞生物學結構的最高發展水平。 在一系列與前兩個進化週期中發生的事件無關的事件中,人類進化通過個體的集合和整合成為多“細胞”社區的過程而繼續進行。 在這個被稱為人類的社區中,每個人的角色都類似於人類構建物中單個細胞的角色。 在地球作為活生物體(Gaia)的全球視野中,人類是地球表面膜的IMP等效物。 人類作為受體和效應器,在地球的外殼中組裝並整合成帶圖案的網絡(社區),在其中它們接收環境“信號”,並充當行星膜閘的開關機制。
這些研究表明,過去和未來的進化可以在細胞膜的結構和精細化過程中進行數學建模。 將二維膜表面積組織成三維單元空間的最佳方法是採用分形幾何形狀。
在自然界中,大多數無機和有機結構都表現出“不規則”模式。 然而,在不規則現象的明顯混亂中,人們發現不規則結構是“有規律地”重複的(即,它們表現出一種有序的形式)。 例如,樹枝的分支模式通常與在樹幹上觀察到的分支模式相同。 一條主要河流的分支模式與沿其較小支流觀察到的分支模式相同。 沿著支氣管的分支模式是沿著最小的細支氣管的氣道分支模式的重申。 在動脈和靜脈血管以及周圍神經系統中發現了體內重複的分支模式的相似圖像。
法國數學家Benoit Mandelbrot是第一個認識到自然物體許多物體的幾何形狀都顯示出相似圖案的人,而不論其規模如何。 放大的圖像越多,結構看起來就越相同。 Mandelbrot引入了“自相似”一詞來描述此類對象。 “ 1975年,Mandelbrot創造了fractal一詞,作為不規則和零散的自相似形狀的便捷標籤。
分形的數學非常簡單,因為它包括重複加法和乘法的“運算”。 在此過程中,將一個操作的結果用作後續操作的輸入; 然後將該操作的結果用作下一個操作的輸入,依此類推。 從數學上講,所有“運算”都使用完全相同的公式,但是,必須重複數百萬次才能獲得解決方案。 完成分形方程所需的體力勞動和時間使數學家無法認識到分形幾何學的“力量”,直到功能強大的計算機問世使Benoit Mandelbrot定義了這一新數學。
在經典幾何中,點,線,表面積和立方結構均表示分別以0、1、2、3和1整數表示的尺寸。 分形幾何學被用來為更“跨維度”的圖像建模。 例如,曲線是一維對象。 在分形中,曲線可能會彎曲得很大,以致實際上接近填充平面。 如果直線的曲線相對簡單,則它的尺寸接近於1。如果直線的曲線過於緊密以至於它們填滿了空間,則直線接近2維。 分形幾何填充了整數維之間的空間。
分形的結構特徵相對容易理解:分形呈現出相互嵌套的“結構”的重複模式。 每個較小的結構都是一個縮影,但不一定是該較大形式的精確版本。 分形數學強調整體模式與整體模式之間的關係。 例如,樹枝上的樹枝圖案類似於從樹幹分支出來的四肢圖案。 分形對象可以由“框”內的“框”,“框”內,“框”內等表示。如果知道第一個“框”的參數,則基本對象將自動提供。表示所有其他(較大或較小)“框”的圖案。
如W. Allman在《人的生命的數學》一文(在參考部分中引用)中所述,“分形的數學研究表明,分形的分支內分支結構是在三分之二內獲得最大表面積的最佳方法。維空間…。” 雖然細胞膜實際上是3維物體,但其分子雙層具有恆定且均勻的厚度。 這樣,可以忽略膜的厚度,並且可以將膜建模為二維“表面積”結構。 由於進化是膜意識的建模(與膜的表面積有關),所以分形幾何結構提供的建模效率很可能反映出自然界所選擇的效率。
重點不是要緊跟建模數學。 關鍵是分形模型預測進化將基於相互嵌套的“結構”的重複模式! 更具體地說,因為它涉及分形進化的概念,“整體的模式可見於整體的各個部分”,這意味著人類的模式可見於人體的各個部分(細胞)。 如果人們知道一個細胞的功能組織模式,那麼就可以洞悉人類的組織。 考慮一下:較小結構的分形圖像是較大整體的縮影。 因此,儘管人類的結構是其自身細胞的自相似圖像,但人類文明的結構將代表其組成人類的自相似結構!
人類是社會的分形圖像,細胞是人類的分形圖像。 實際上,細胞也是社會的分形形象。 在三個演化週期的每一個中觀察到的重複的,相同的模式進一步暗示了演化的分形性質。