Evolution by BITs and Pieces: Une introduction à l'évolution fractale
La frontière membranaire enveloppant chaque cellule biologique constitue la base structurelle d'un système de processeur biologique (voir article : Conscience cellulaire). En tant que processeur, les récepteurs membranaires de la cellule analysent l'environnement à la recherche de signaux. De toute évidence, l'environnement est inondé de signaux. Si tous les signaux étaient audibles, l'environnement ressemblerait à un bruit assourdissant. Cependant, la spécificité de réception qui est caractéristique de chaque récepteur IMP, lui permet de distinguer son signal complémentaire de tout le bruit ambiant brouillé. La capacité de la cellule à filtrer sélectivement les informations utiles du bruit « chaotique » ressemble à la fonction des transformations de Fourier [processus de filtrage mathématique qui trouvent des signaux dans ce qui semble être du bruit] sur des entrées complexes pour percevoir des fréquences spécifiques comme des signaux d'information. Alors que l'environnement est dans un sens « chaotique », avec des centaines et des milliers de « signaux » exprimés simultanément, la cellule ne peut lire de manière sélective que les signaux pertinents pour son existence.
Sur la base des caractéristiques fonctionnelles et structurelles de la membrane cellulaire, chaque cellule unique (par exemple, l'amibe) représente un système de micro-ordinateur auto-alimenté. Comme dans les ordinateurs numériques, la puissance ou la capacité de traitement de l'information de l'ordinateur « cellulaire » est déterminée par le nombre de ses BIT qu'il peut gérer. Dans les ordinateurs, les BIT sont des complexes porte/canal, dans le processeur à membrane, les BIT sont représentés par des complexes récepteur/effecteur. Les molécules IMP comprenant les BIT de la cellule ont des paramètres physiques définis et peuvent donc être « mesurées ».
La dimension des protéines IMP est approximativement la même que l'épaisseur de la membrane. Étant donné que les IMP, par définition, résident dans la bicouche de la membrane, les protéines ne peuvent être disposées que sous forme de monocouche (ce qui signifie que les IMP ne peuvent pas être empilés les uns sur les autres). Pour utiliser la métaphore du pain et du beurre et du sandwich aux olives, il n'y a qu'un nombre limité d'olives qui peuvent être superposées sur le pain. Pour avoir plus d'olives dans le sandwich, il faut utiliser une tranche de pain plus grosse. La même chose s'applique à l'augmentation du nombre d'unités de perception-IMP dans la membrane : plus il y a d'IMPs-plus la surface de membrane nécessaire pour les contenir est grande. La capacité de traitement de l'information de la cellule (reflétée par le nombre de protéines de perception) est directement liée à la surface de la membrane.
Le point profond de ce discours… La conscience biologique est une propriété mesurable, et est directement corrélé avec la surface de la membrane cellulaire. Par conséquent, la puissance de calcul d'une cellule est physiquement déterminée par les limitations imposées aux dimensions cellulaires.
Les première phase d'évolution de la vie concernait le développement et le raffinement de la « puce » informatique biologique individuelle, la bactérie primitive. La taille de ces organismes primitifs est limitée par le fait qu'ils possèdent un squelette externe rigide, dérivé des polysaccharides du glycocalyx. La matrice produite par la réticulation des molécules de sucre dans ce « manteau » constitue le « squelette » protecteur de la cellule, appelé capsule. La capsule soutient physiquement et protège la fine membrane de la cellule contre la rupture sous les contraintes de la pression osmotique.
La pression osmotique est la force générée par le désir de l'eau de se déplacer à travers une membrane pour « équilibrer » la concentration de particules de chaque côté de la barrière membranaire. Le cytoplasme de la cellule est rempli de particules par rapport à l'eau dans laquelle vivent les cellules. L'eau du milieu extérieur traversera la membrane pour diluer la concentration de particules cytoplasmiques. La cellule gonflerait avec de l'eau et la pression provoquerait la rupture de la délicate bicouche membranaire, tuant la cellule. L'exosquelette du glycocalyx résiste à la pression osmotique potentiellement mortelle.
Les bactéries sont l'équivalent cellulaire des invertébrés, (animaux ne possédant pas de squelette interne de soutien (par exemple, palourdes, insectes, méduses). Bien que le squelette protège la bactérie, sa nature rigide la limite également. La taille de la cellule bactérienne est limitée par son capsule. La taille limite limite la quantité de membrane que la cellule peut posséder. La surface de la membrane est proportionnelle à la conscience, basée sur le nombre d'IMPs qu'elle peut contenir. La capsule bactérienne limite l'évolution de la cellule car il y a un plafond sur le nombre d'unités de perception que la membrane peut contenir.
En fait, la majeure partie de la surface membranaire de la bactérie est utilisée pour abriter les complexes IMP nécessaires à la survie cellulaire. Cependant, chaque bactérie est également capable d'apprendre environ six « signaux » environnementaux supplémentaires. Par exemple, une bactérie peut acquérir la capacité de résister à un antibiotique introduit dans l'environnement. Il le fait en créant un récepteur de surface qui se lie et inhibe les molécules de l'antibiotique. Le nouveau récepteur est fondamentalement l'équivalent d'une protéine « anticorps » que nos cellules immunitaires créent pour neutraliser un antigène invasif.
La création d'un nouveau récepteur, par définition, implique qu'il doit y avoir un nouveau gène créé pour se souvenir du code d'acide aminé de cette protéine. Chez les bactéries, ces « nouveaux » Mémoire les gènes sont présents sous forme de minuscules cercles d'ADN appelés plasmides. Les plasmides ne sont pas physiquement attachés au chromosome héréditaire de la cellule et flottent librement dans le cytoplasme. Les bactéries sont capables de créer en moyenne environ six différent plasmides, chacun dérivé d'une « expérience » d'apprentissage unique. La limitation du nombre de plasmides que possède la cellule n'est pas due à une incapacité à produire de l'ADN. Car la bactérie peut faire des milliers de copies de n'importe lequel des plasmides individuels qu'elle possède. Les limites doivent être liées au fait que chaque « nouveau » complexe de perception protéique nécessite une unité de surface pour exprimer ses fonctions. L'incapacité à étendre sa membrane (c'est-à-dire sa surface) limite la capacité de la bactérie à acquérir de nouvelles perceptions (conscience).
Plus la conscience est grande, plus la capacité de survie est grande. Les limitations imposées aux individus augmentant leur sensibilisation ont conduit à des bactéries vivant dans des communautés peu soudées. Si une bactérie individuelle peut « apprendre » six faits sur l'environnement, alors une centaine de bactéries sont collectivement capables de connaître 600 faits. Les bactéries ont développé des mécanismes pour transférer des copies de leurs plasmides à d'autres bactéries de la communauté. En transférant des copies de leur ADN « appris », ils partagent leur « conscience » avec la communauté. Les bactéries peuvent transférer un plasmide à un autre individu. La bactérie receveuse peut utiliser la « conscience » du plasmide donné au cours de sa vie, mais ne peut généralement pas transmettre de copies du plasmide à sa descendance de cellules filles.
Les bactéries possèdent de fines projections ressemblant à des tentacules qui s'étendent de leur surface externe appelée pili. Lorsque les pili de deux bactéries se touchent, les membranes des pilus peuvent momentanément fusionner, joignant le cytoplasme des deux cellules ensemble. Au moment de la fusion, les deux bactéries peuvent échanger des copies de leurs plasmides. Les bactéries sont également capables de piéger l'ADN flottant dans l'environnement, de sorte que les plasmides libérés dans l'environnement, comme cela peut se produire lorsqu'une cellule meurt et que son cytoplasme s'échappe, peuvent être récupérés par d'autres cellules. Cependant, l'environnement est difficile pour l'ADN flottant et les plasmides se décomposent facilement. Un troisième moyen plus efficace de distribuer des plasmides « de sensibilisation » est apparu lorsque les bactéries ont appris à emballer leur ADN plasmidique dans des enveloppes protéiques protectrices, créant ainsi des virus. Les virus contiennent des « informations » qui sont transmises à d'autres cellules individuelles de l'environnement. Certains virus tuent les cellules qui les ramassent, tandis que d'autres virus protègent les cellules qu'ils « infectent ». Parfois « l'information » affirme la vie, parfois elle est mortelle.
Les communautés bactériennes ont développé un moyen d'augmenter leur survie en déployant une matrice extracellulaire de polysaccharide pour envelopper toutes les cellules de la communauté et les «protéger» des ravages de l'environnement sauvage. Les bactéries individuelles ont pu se déplacer à travers des canaux « irrigués » au sein de la matrice. Les canaux ont également permis une communication de matériaux extracellulaires et de molécules d'information, ce qui a permis une intégration commune entre tous les membres de la communauté. La communauté cellulaire peut être peuplée d'une variété d'espèces bactériennes. Par exemple, des formes de bactéries anaérobies craignant l'oxygène peuvent vivre au bas d'une communauté, tandis que des bactéries aérobies aimant l'oxygène sont présentes dans les niveaux supérieurs de la même communauté. Les bactéries au sein de la communauté sont facilement capables d'échanger leur ADN et, ce faisant, permettent aux citoyens cellulaires d'acquérir des fonctions spécialisées et différenciées.
Ces communautés bactériennes enfermées dans une matrice sont appelées biofilms (voir l'illustration ci-dessous). Les biofilms sont devenus très importants puisqu'ils sont maintenant reconnus pour protéger les communautés bactériennes des antibiotiques. Les bactéries qui forment les caries dentaires sont en fait des communautés de biofilms, qui résistent à nos efforts pour les éliminer de nos dents. La nature résistive et protectrice des biofilms a permis à ces communautés d'être les premières formes de vie à quitter l'océan et à vivre sur terre.
Il y a de nombreuses années, la biologiste Lynn Margulis a fondé le concept selon lequel les mitochondries étaient des organismes de type bactérien qui envahissaient le cytoplasme de cellules contenant un noyau plus avancées appelées eucaryotes. Au début, ses idées ont été ridiculisées par l'establishment, mais au fil des ans, c'est devenu une croyance largement acceptée. Fait intéressant, une compréhension de la nature communautaire des bactéries dans les biofilms offre une autre interprétation.
La micrographie de gauche illustre un exemple de biofilm dans un poumon humain. Le bloc bactérien pseudomonas infectieux est enfermé dans une matrice extracellulaire de coloration sombre (voir flèche) comprenant un biofilm. L'encapsulation dans la matrice protège les bactéries des efforts du système immunitaire pour les détruire. La matrice, principalement constituée de glucides, peut également contenir les protéines musculaires, l'actine et la myosine, qui se trouvent liées aux surfaces externes de certaines bactéries. Les protéines externes d'actine et de myosine permettent aux bactéries de se déplacer dans la matrice du film.
La micrographie de droite est la même image, mais avec une « membrane » dessinée sur le pourtour du film. Une membrane autour du film permettrait à la communauté bactérienne de contrôler finement la composition et le caractère de son environnement, une évolution nécessaire qui améliorerait sa survie. Ce film modifié ressemble à l'anatomie cytologique de la cellule eucaryote évolutivement plus avancée. Dans ce cas, les bactéries représenteraient les organites de la cellule et la matrice du film représenterait le cytoplasme riche en cytosquelette entre les organites. Fait intéressant, le cytoplasme des eucaryotes possède bon nombre des mêmes composants structurels qui caractérisent la matrice du biofilm. Cela est particulièrement vrai pour l'actine et la myosine qui permettent aux bactéries de se déplacer dans le film de la même manière que les organites se déplacent dans le cytoplasme.
Le point de cette discussion est que la cellule eucaryote plus avancée, plutôt que d'être une entité unique évoluée, pourrait représenter l'évolution d'une communauté bactérienne. Une cellule représenterait une communauté finement réglée de procaryotes qui se sont différenciés en organites. Une telle hypothèse soutient les croyances des biologistes pléomorphes, un petit groupe de scientifiques convaincus qui pensent que les micro-organismes liés aux maladies peuvent représenter des formes de vie qui sont apparues, bourgeonnées, à partir de cellules mourantes. Logique.
Quoi qu'il en soit, la deuxième phase de l'évolution a vu l'origine de la cellule eucaryote (nucléée) plus sophistiquée. Cependant, l'évolution a cessé lorsque la cellule nucléée a atteint sa taille spécifique maximale, car il existe des limitations physiques imposées à la vie cellulaire. Si la cellule tente d'étendre sa surface au-delà d'une taille donnée, la cellule deviendra instable, car si elle dépasse certaines dimensions, la membrane ne sera pas physiquement capable de contraindre la masse de son cytoplasme. Cela conduira à une rupture de la membrane et à une perte du potentiel membranaire (dont la cellule tire son énergie vitale). De plus, si la cellule dépasse un certain diamètre, le processus de diffusion ne permettrait pas à suffisamment d'oxygène pour le traitement métabolique d'atteindre la partie centrale de la cellule.
En conséquence, dans l'histoire de l'évolution, les 3 premiers milliards d'années ont été principalement associés à l'apparition et à l'évolution des organismes unicellulaires (bactéries, algues, protozoaires). C'était l'origine des organismes multicellulaires qui représentaient un moyen alternatif d'étendre la surface membranaire (c'est-à-dire le potentiel de sensibilisation) au-delà des limites de la cellule unique. Par conséquent, dans ce qui équivalait à une troisième phase d'évolution, une augmentation de la puissance « informatique » biologique (conscience) résultait du même processus d'organisation en communautés d'ordre supérieur. Plutôt que d'accroître la sensibilisation à la cellule eucaryote individuelle, la troisième phase de l'évolution s'est intéressée à l'ordonnancement des « puces » de cellules eucaryotes individuelles en assemblages interactifs.
Ce « phasage » de l'évolution ressemble à celui qui s'est produit dans l'industrie informatique. Texas Instruments a développé la puce. Les puces individuelles sont au cœur de la calculatrice simple. Cependant, lorsque de nombreuses puces ont été intégrées et câblées ensemble, elles ont fourni l'ordinateur. Lorsque les ordinateurs individuels ont atteint leur puissance maximale, les superordinateurs ont été créés en assemblant de nombreux ordinateurs en une « communauté » organisée de traitement parallèle. La relation de la bactérie avec la cellule eucaryote équivaut à la relation de la puce avec l'ordinateur. La relation de la cellule eucaryote à l'organisme multicellulaire est la même que la relation d'un ordinateur individuel à l'ensemble dans un réseau de traitement parallèle.
Dans les ordinateurs, la « puissance » de la machine est mesurée en capacités de traitement BIT. Dans les organismes biologiques, le potentiel de « conscience » se reflète dans le nombre et la variété des complexes IMP intégrés. Puisque la quantité d'IMPs est directement liée à la « surface », la conscience devient un facteur de surfaces membranaires partagées dans les organismes multicellulaires.
Considérez cette relation de surface en ce qui concerne l'évolution du cerveau des vertébrés. Les premiers cerveaux des vertébrés sont de petites sphères lisses. Au fur et à mesure que l'on monte l'échelle de l'évolution, les cerveaux deviennent plus gros et une plus grande surface est ensuite dérivée des replis de la surface du cerveau qui produisent les sillons (rainures) et les gyri (plis) caractéristiques des cerveaux plus avancés. Fait intéressant, lorsque l'on considère la conscience en termes de surface cérébrale, les humains occupent la deuxième place, car les cerveaux des marsouins et des dauphins ont une plus grande surface.
Il est proposé que, à l'instar des protozoaires unicellulaires, les êtres humains représentent un autre point final de l'évolution, le plus haut niveau de développement pour une structure biologique multicellulaire. Dans une série d'événements redondants par rapport à ceux qui se sont produits au cours des deux cycles d'évolution précédents, l'évolution humaine s'est poursuivie à travers un processus d'assemblage et d'intégration d'individus dans une communauté multi-« cellulaire ». Dans cette communauté connue sous le nom d'humanité, le rôle de chaque personne est analogue à celui d'une seule cellule dans la construction humaine. Dans la vision globale de la Terre en tant qu'organisme vivant (Gaia), les humains sont les équivalents IMP dans la membrane de surface de la Terre. Les humains, en tant que récepteurs et effecteurs, s'assemblent et s'intègrent dans des réseaux structurés (communauté) dans l'enveloppe terrestre où ils reçoivent des « signaux » environnementaux et servent de mécanismes de commutation des portes membranaires de la planète.
Ces études révèlent que l'évolution passée et future peut être modélisée mathématiquement dans la structure et l'élaboration de la membrane cellulaire. La meilleure façon d'organiser la surface membranaire bidimensionnelle dans un espace cellulaire tridimensionnel est d'utiliser la géométrie fractale.
Dans la nature, la plupart des structures inorganiques et organiques expriment un motif « irrégulier ». Cependant, dans le chaos apparent des irrégularités, on constate que les structures irrégulières se répètent « régulièrement » (c'est-à-dire qu'elles montrent une forme d'ordre). Par exemple, le schéma de ramification d'un rameau d'arbre est souvent le même schéma de ramification que celui observé sur le tronc de l'arbre. Le schéma de branchement d'une grande rivière est identique au schéma de branchement observé le long de ses plus petits affluents. Le motif des branches le long de la bronche est une réitération du motif des branches des voies aériennes le long des plus petites bronchioles. Des images similaires de motifs de ramification réitérés dans le corps sont révélées dans les vaisseaux sanguins artériels et veineux et le système nerveux périphérique.
Le mathématicien français Benoit Mandelbrot a été le premier à reconnaître que la géométrie de nombreux objets de la nature révélait un modèle similaire quelle que soit l'échelle à laquelle il était examiné. Plus vous agrandissez l'image, plus la structure paraît la même. Mandelbrot a introduit le terme « auto-similaire » pour décrire de tels objets. « En 1975, Mandelbrot a inventé le mot fractale comme étiquette pratique pour les formes autosimilaires irrégulières et fragmentées.
Les mathématiques des fractales sont étonnamment simples en ce qu'elles consistent à répéter des « opérations » d'additions et de multiplications. Dans le processus, le résultat d'une opération est utilisé comme entrée pour l'opération suivante ; le résultat de cette opération est ensuite utilisé comme entrée pour l'opération suivante, et ainsi de suite. Mathématiquement, toutes les « opérations » utilisent exactement la même formule, cependant, elles doivent être répétées des millions de fois pour obtenir la solution. Le travail manuel et le temps requis pour compléter une équation fractale ont empêché les mathématiciens de reconnaître le « pouvoir » de la géométrie fractale jusqu'à ce que l'avènement d'ordinateurs puissants permette à Benoit Mandelbrot de définir ces nouvelles mathématiques.
En géométrie classique, les points, les lignes, les surfaces et les structures cubiques représentent tous des dimensions exprimées en nombres entiers, 0, 1, 2 et 3 dimensions, respectivement. La géométrie fractale est utilisée pour modéliser des images plus « interdimensionnelles ». Par exemple, une ligne courbe est un objet à une dimension. Dans les fractales, la courbe peut zigzaguer tellement qu'elle se rapproche du remplissage du plan. Si la courbe de la ligne est relativement simple, elle est proche d'une dimension de 1. Si les courbes de la ligne sont si serrées qu'elles remplissent l'espace, la ligne approche les 1 dimensions. La géométrie fractale remplit les espaces entre les dimensions des nombres entiers.
Une caractéristique structurelle des fractales est relativement simple à comprendre : les fractales présentent un modèle réitéré de « structures » imbriquées les unes dans les autres. Chaque structure plus petite est une miniature, mais pas nécessairement une version exacte de la forme plus grande. Les mathématiques fractales mettent l'accent sur la relation entre les modèles observés dans l'ensemble et les modèles observés dans certaines parties de cet ensemble. Par exemple, le motif des brindilles sur une branche ressemble au motif des branches partant du tronc. Les objets fractals peuvent être représentés par une « boîte » dans une « boîte », dans une « boîte », dans une « boîte », etc. motif qui caractérise toutes les autres « boîtes » (plus grandes ou plus petites).
Comme décrit dans l'article Mathematics of Human Life de W. Allman (cité dans la section de référence), "Les études mathématiques des fractales révèlent que la structure de branchement dans la branche d'une fractale représente le meilleur moyen d'obtenir la plus grande surface dans un trois -espace dimensionnel…. » Alors que la membrane cellulaire est en réalité un objet tridimensionnel, sa bicouche moléculaire possède une épaisseur constante et uniforme. En tant que telle, l'épaisseur de la membrane peut être ignorée et la membrane peut être modélisée comme une structure de « surface » à 3 dimensions. L'évolution étant la modélisation de la conscience de la membrane (liée à sa surface), l'efficacité de la modélisation apportée par la géométrie fractale refléterait très probablement celle choisie par la Nature.
Il ne s'agit pas de se laisser entraîner dans les mathématiques de la modélisation. Le fait est que le modèle fractal prédit que l'évolution sera basée sur un modèle réitéré de « structures » imbriquées les unes dans les autres ! Plus précisément, en ce qui concerne un concept d'évolution fractale, "le modèle du tout est vu dans les parties du tout", cela signifie que le modèle de l'humain est vu dans les parties (cellules) de l'humain. Si l'on est conscient du modèle par lequel une cellule est fonctionnellement organisée, on obtient également un aperçu de l'organisation d'un humain. Considérez ceci : les images fractales de structures plus petites sont des miniatures du plus grand tout. Par conséquent, alors que la structure des humains est une image auto-similaire de leurs propres cellules, la structure de la civilisation humaine représenterait une structure auto-similaire de ses composants humains !
Les humains sont une image fractale de la société, les cellules sont une image fractale de l'humain. En fait, les cellules sont également une image fractale de la société. La nature fractale de l'évolution est en outre impliquée par les mêmes schémas réitérés observés dans chacun des trois cycles d'évolution.