Category: Biology

Glavni faktori okoliša u morskim biomima

Original: https://php.radford.edu/~swoodwar/biomes/?page_id=417

Dr. Susan L. Woodward

1. Voda je mnogo više od pasivnog medija u kojem postoji život. Njegova jedinstvena hemija sa vodoničnim vezama i visokom specifičnom toplotom omogućavaju skladištenje latentne toplote i umerenih globalnih temperatura. Njegovo kretanje prenosi toplotnu energiju iz ekvatorijalne regije prema polu u obje hemisfere. Voda je u stanju da rastvori mnoga jedinjenja, uključujući važne nutrijente.

2. Svjetlo. Većina morskih lanaca ishrane počinje fotosintetičkim jednoćelijskim organizmima (fitoplankterima) na koje utječu dnevne i sezonske promjene u intenzitetu i trajanju svjetlosti. Sunčeva svetlost prodire u prozirnu vodu, ali različite talasne dužine se apsorbuju na različitim dubinama. Najduže talasne dužine (crvene i narandže) apsorbuju se u prvih 50 stopa vodenog stuba. Većina ostalih talasnih dužina se apsorbuje u narednih 130 stopa. Najkraće talasne dužine (plava i ljubičasta) prodiru najdublje, čineći more plavim tokom sunčanog dana. (Stvarne dubine variraju u zavisnosti od bistrine ili mutnosti vode. Što je voda bistrija, to dublje svjetlost može doseći.
Kada ostane samo jedan posto sunčeve svjetlosti primljene na površini mora, fotosinteza je dovoljna samo za održavanje života. Ne može doći dov rasta ili reprodukcije. Dubina na kojoj se to dešava naziva se zona kompenzacije. Predstavlja dno eufotične zone. Ispod 3000 stopa nema svjetla.

3. Pritisak.  U prosjeku, na nivou mora, težina atmosfere stvara 14,7 lbs/in 2   pritiska ili 1 atmosferu. U okeanu, zbog dodatne težine vode, pritisak se povećava za 1 atmosferu na svakih 33 stope dubine. Na dubokom morskom dnu pritisak može doseći više od 500 atmosfera.

4. Otopljeni gasovi:

a. Kiseonika, produkta fotosinteze, ima najviše na površini gdje je morska voda u kontaktu s atmosferom. Što je voda hladnija, to može da sadrži više kiseonika.

b. Ugljični dioksid se apsorbira iz atmosfere, što je proces koji može usporiti globalno zagrijavanje. Njegovi nivoi, međutim, mogu biti niži u eufotičnoj zoni zbog toga što ga alge i bakterije koriste tokom fotosinteze.

c. Dušik se mora fiksirati u nitrate prije nego ga koristi većina morskih algi. To postižu drugi mikroorganizmi, kao što su cijanobakterije. Dušik je glavni ograničavajući faktor u moru.

5. Nutrienti. Makronutrijenti u morskim ekosistemima uključuju ugljenik, azot, fosfor, silicijum, sumpor, kalijum i natrijum. Mikronutrijenti uključuju gvožđe, cink, bakar, mangan i neke vitamine. Dušik je najčešći ograničavajući faktor za rast algi; fosfor je drugi najčešći.

6. Temperatura varira sa dubinom i zemljopisnom širinom. Infracrvene talasne dužine (toplotna energija) sunčeve svetlosti apsorbuju se u gornjim 3 stope vodenog stuba. Talasi miješaju zagrijanu vodu u gornji sloj od 30 stopa. Ispod ovog sloja je prelazna zona u kojoj temperatura brzo opada sa dubinom. Ovo je termoklina. Ispod termokline je duboka zona, u kojoj temperatura samo blago opada sa povećanjem dubine. Većina morske vode u dubokoj zoni ostaje na oko 37° F tokom cijele godine. Hladnija voda (33° do 35,5° F) može se naći na ili blizu morskog dna.

space Zbog sadržaja soli, koja djeluje kao antifriz, morska voda se ne smrzava do 28,5° F. Kako se približava tački smrzavanja, gustina vode opada. Veoma hladna voda izlazi na površinu, gdje se formira led.

7. Salinitet se odnosi na količinu otopljene tvari (soli) u morskoj vodi. Prosjek je 35 ppt. Salinitet varira geografski prema padavinama, ispuštanju iz rijeka i isparavanju (u funkciji temperature). Formiranje leda povećava salinitet u nezamrznutoj vodi. Generalno, salinitet je najveći u površinskom sloju, ispod kojeg se nalazi prelazna zona poznata kao haloklina. Ispod halokline, salinitet ostaje prilično konstantan.

8. Gustina je funkcija temperature i saliniteta. Toplija voda je manje gustoće od hladnije i pluta na njoj. Slatka voda je manje gustoće od morske i zato pluta na njoj. Najmanja gustina se obično javlja u površinskom sloju jer čestice imaju tendenciju da potonu i voda je toplija od one ispod. Prijelazna zona u kojoj dolazi do brzog porasta saliniteta s dubinom naziva se piknoklina. Piknoklina je prepreka za razmjenu nutrijenata između slojeva, ali također pomaže u održavanju fitoplanktona u vodama obasjanim suncem blizu površine. Djelovanje valova pomaže da se hranjive tvari i fitoplankteri koji tonu vraćaju na površinu.

9. Talasi. Talas je zapravo samo energija koja se kreće prema obali. Molekuli vode se ne kreću bočno, već rotiraju gore-dolje u kružnim orbitama. Svaka orbita pokreće vodu ispod da formira vertikalni lanac sve manjih orbita sa manje energije od one direktno iznad. Lanac se proteže nadole do dubine 1,2 puta veće od visine talasa. Ispod tog nivoa voda je nepromijenjena. Valovi nastaju djelovanjem vjetra.

Kako se val približava obali, trenje stvoreno kada orbite dodiruju morsko dno usporava bazu vala. Vrh tada ide ispred baze i pada. Ovo stvara razbijanje, na čijem se kopnu nalazi zona surfanja. Energija koja ostaje u valu nakon formiranja razbijača podiže nivo vode i izbacuje vodu na obalu. Pijesak, šljunak, školjke i druge abrazivne čestice se pokupe dok voda kreće na kopno.

10. Plima i oseka su proizvod gravitacionog privlačenja sunca i, posebno, mjeseca na okeanima. Oblik i orijentacija obala i njihovog morskog dna određuju frekvenciju i raspon plime i oseke na određenom mjestu. Većina obala doživljava dvije plime i dvije oseke svaki dan, ali nekoliko ̶ kao što je uz Kalifornijski zaljev ̶ ima samo jednu plimu i jednu oseku dnevno.

 

Da li glifosat zamjenjuje glicin u bjelančevinama ćelija koje se aktivno dijele?

Original: https://people.csail.mit.edu/seneff/does_glyphosate_substitute.html

od Stephanie Seneff

[email protected]
18. avgusta 2019

Nedavno su članak objavili Antoniou et al. podebljanim naslovom, “Glifosat ne zamjenjuje glicin u proteinima aktivno podijeljenih ćelija sisavaca.” [1]. Rad je uključivao izlaganje ljudskih ćelija raka dojke glifosatu šest dana, a zatim korištenjem sofisticirane tehnike nazvane Tandem oznaka mase (TMT) označavanje za identifikaciju kratkih peptida koji navodno sadrže anomalno teške molekule glicina. Proteini iz tretiranih i netretiranih stanica provedeni su kroz standardni protokol koji uključuje spektrometriju mase, djelomičnu proteolizu i daljnju analizu, kako je detaljno opisano u radu.

Ćelije su održavane na bogatoj hranjivoj formulaciji koja se zove Dulbeccoov modificirani medij za orlove. Ova formulacija je modifikacija izvornog bazalnog srednjeg orla koji je četiri puta obogaćen aminokiselinama i vitaminima. Takođe ima visoku koncentraciju glukoze od 4500 mg/L. Ne postoji garancija da nije kontaminiran glifosatom. Nadalje, ćelije su u prošlosti uzgajane u kulturi neko neodređeno vrijeme i vjerojatno su akumulirale znatan broj pogrešno savijenih proteina kontaminiranih glifosatom koje je bilo teško očistiti. Vjerovatno su započeli svoj život u kulturi već s proteinima kontaminiranim glifosatom, kroz doživotno izlaganje glifosatu čovjeka koji je izvorno držao ove stanice u tumoru dojke.

Autori su testirali uzorke na dvije različite post-translacijske modifikacije (PTM): cistein modificiran glioksilatom i zamjenu glicina glifosatom. Uključili su modifikaciju glioksilata jer su pretpostavili da se glifosat može razgraditi na glioksilat, koji se može vezati za ostatke cisteina. Značajno je da nisu otkrili nikakve cisteine modifikovane glioksilatom ni u kontrolnim ćelijama ni u tretiranim ćelijama.

Nasuprot tome, autori su pronašli značajan signal prisutnosti glifosata u nekoliko kratkih peptida u tretiranim uzorcima. Međutim, također su pronašli jednako snažan signal u neobrađenim uzorcima. Napisali su: “Međutim, u ovom eksperimentu se ne očekuje da će se pojaviti bilo koji od dva navodno interesantna PTM-a (post-translacijske modifikacije) koji će biti prisutni u nedostatku tretmana glifosatom. Stoga je bilo moguće koristiti TMT označavanje za identifikaciju i filtriranje bilo kojeg potencijalnih lažnih otkrića.”

Jednako uvjerljiv argument je, međutim, da “neobrađene” ćelije također sadrže proteine supstituirane glifosatom. Potencijalno, većina ako ne i svi supstituirani peptidi kandidati su istinska otkrića. Budući da su i tretirane i kontrolne ćelije bile izložene glifosatu duži period u prošlosti, vjerovatno je da su obje akumulirale proteine kontaminirane glifosatom u gotovo jednakim količinama. Anthony Samsel i ja smo u svom prvom članku o zamjeni glifosata glicinom raspravljali o dokazima da N-supstituirani glicini mogu formirati peptoide koje je vrlo teško razgraditi, te da je pokazano da fosfonati imaju sposobnost inhibiranja proteolize [2].

Ideja da izloženost glifosatu rezultira akumulacijom proteina otpornih na proteolizu potkrijepljena je studijom objavljenom 2013. o biljkama graška [3]. Autori su primijetili nakupljanje ubikvitiniranih proteina zajedno s povećanom regulacijom enzima proteolize, što je iznenađujuće i neobično. Napisali su:

“Akumulacija ubikvitiniranih proteina, zajedno s povećanom navodnom aktivnošću proteasoma, primijećena je kroz ABPP [Profiliranje proteina zasnovano na aktivnosti], što ukazuje na ulogu proteasoma nakon tretiranja herbicidima. Akumulacija ubikvitiniranih proteina obično je opisana u vezi s istovremenim smanjenjem Unatoč tome, naši rezultati pokazali su porast i nivoa proteasomskog supstrata i aktivnosti. Stoga stres izazvan herbicidom na proteomu može rezultirati akumulacijom ubikvitiniranih proteina, uprkos povećanoj aktivnosti proteasoma ili povećanoj dostupnosti supstrata izazivaju aktivnost proteasoma.”

Vjerojatno objašnjenje je da glifosat ugrađen u proteine narušava sposobnost proteolitičkih enzima da ga razgrađuju. U stvari, u članku koji povezuje glifosat s amiotrofičnom lateralnom sklerozom (ALS) opisali smo kako glifosat može poremetiti sam proces sveprisutnosti, koji označava proteine za brisanje proteasomom [4]. Pisali smo:

“Najintrigantnija je činjenica da sam ubikvitin kritično ovisi o visoko očuvanom karboksi terminalnom paru dvostrukog glicina za izgradnju složenih ubikvitinskih lanaca koji signaliziraju protein za razgradnju [46] [reproducirano ovdje kao [5]]. Zamjena glifosata za bilo koji Za ove esencijalne glicine bi se očekivalo da naruše proces recikliranja pogrešno savijenih proteina. To bi lako moglo objasniti nakupljanje pogrešno savijenih proteina što je karakteristična značajka ALS-a.”

Na našu sreću, Antoniou i sur. [1] su u svojoj Tabeli 3 dali tačne sekvence sa zamjenama glifosata koje su otkrivene, a web stranica Uniprot pruža alat gdje se mogu pronaći proteini koji sadrže određene sekvence, koristeći programski paket pod nazivom BLAST. Uniprot je uspio pronaći identitet svih 15 proteina koji su predstavljeni kao pogoci na njihovoj slici 3, s tačnim podudaranjem sa sekvencom prisutnom unutar svakog proteina. Svih 15 proteina bili su ljudski proteini. Najmanje devet ovih proteina veže se za molekule koje sadrže fosfate, kako je nabrojano u Tabeli 1. Ovo daje podršku ideji da su proteini koji vežu fosfat posebno osjetljivi na supstituciju glifosata, kao što je artikulirano u nedavnom članku koji su objavili Gunatilake i sur. [6], predlažući da je glifosat glavni faktor u kroničnoj bubrežnoj bolesti nepoznate etiologije (CKDu) među poljoprivrednim radnicima u Šri Lanki. Zapravo, proteinska EPSP sintaza u biljkama za koju se vjeruje da je glavna meta glifosata u uništavanju korova sadrži visoko očuvan glicinski ostatak na mjestu gdje se veže fosfoenol piruvat (PEP). Istraživači iz DowDuponta uspjeli su koristiti CRISPR tehnologiju za stvaranje soja kukuruza otpornog na glifosat, zbog CRISPR-modificiranog gena za EPSP sintazu [7]. Prvi korak koji su učinili bio je promjena DNK koda tako da se glicin na mjestu vezivanja PEP zamijeni alaninom. To je rezultiralo verzijom enzima koja je bila potpuno neosjetljiva na glifosat.

Tablica 1: Devet proteina koji sadrže peptide supstituirane glifosatom, identificirano pomoću alata za spektrometriju Tandem oznaka mase (TMT). Ovi peptidi, zajedno sa još 6, pronađeni su u stanicama raka uzgojenim u kulturi. Svih devet se veže za molekule koje sadrže fosfat kako je naznačeno u trećoj koloni. Prva kolona daje otkriveni niz, gdje “*” označava glicinski ostatak za koji je utvrđeno da je supstituiran. Vidjeti: Antoniou i dr. (2019) za detalje o eksperimentalnom postavljanju.

Sekvenca Protein Name Podloga koja sadrži fosfate
AIRQTSELTLG*K Protein cinkovog prsta 624 DNK
DG*QDRPLTKINSVK Porodica A koja sadrži domenu koja sadrži homologiju Pleckstrina 5 Fosfatidilinozitol fosfat
EPVASLEQEEQG*K Dvostruki homeobox protein A DNK
G*ELVMQYK Diacilglicerol kinaza gama ATP
GKELSG * LG * SALK Mitohondrijska acil-CoA dehidrogenaza sa vrlo dugim lancem FAD
KDGLG*GDK Receptor vezan za G-protein 158 GTP
NEKYLG*FGTPSNLGK ATP-ovisna Clp proteaza ATP-vezujuća podjedinica ATP
RTVCAKSIFELWG*HGQSPEELYSSLK homolog tRNK(gvanin(10)-N2) metiltransferaze tRNK
VTG*QLSVINSK Protein O-manozil-transferaza 2 (Q9UKY4) dolihil fosfat

Sve u svemu, Tablica 1 otkriva intrigantan popis ljudskih bjelančevina, a očekuje se da će se mnogi od njih eksprimirati u stanicama raka dojke. Na primjer, jedan je protein za metilaciju RNK (homolog tRNK(gvanin (10)-N2)-metiltransferaza). Drugi ima funkciju supresije tumora putem Akt inhibicije, vezanjem za fosfatidilinositol fosfate (član A porodice 5 koji sadrži domenu Pleckstrin homologije). Drugi je receptor vezan za G-protein (GPCR). Prema Bar-Shavit i suradnicima, “GPCR-ovi kontroliraju mnoge značajke tumorigeneze, uključujući funkcije posredovane imunskim stanicama, proliferaciju, invaziju i preživljavanje na sekundarnom mjestu.” [8] Još jedan hit je homeobox protein, a posebno se vjeruje da ova klasa proteina ima uzročnu ulogu u raku dojke [9].

Još jedno važno otkriće iz ovog rada su dva proteina za koja je identificirano da su statistički značajno regulirani kao odgovor na šestodnevni tretman glifosatom. To su: ADP/ATP nukleotidna translokada (ANT) i faktor spajanja 6 bogat serinom/argininom (SRSF6) [1]. Pokazalo se da su ova dva proteina vrlo zanimljiva, jer je poznato da su oba prekomjerno eksprimirana u tumorskim stanicama, i, u oba slučaja, viši nivo ovih proteina povezan je s lošim ishodom kod pacijenata s rakom.
 
SRSF6 je član porodice faktora spajanja koji imaju snažne sposobnosti da promijene ekspresiju proteina, modificirajući način na koji se peptidi sastavljaju iz pojedinačnih egzona. Prekomjerna ekspresija SRSF6 u epitelnim stanicama pluća pojačala je proliferaciju, zaštitila ih od kemoterapije i povećala njihovu sposobnost stvaranja tumora [10]. Nadalje, rušenje SRSF6 u staničnim linijama raka pluća i debelog crijeva smanjilo je njihov tumorigeni potencijal. SRSF6 se često izražava u raku kože i mijenja spajanje proteina zvanog tenascin C tako da potiče invazivni i metastatski rak [11]. SRSF6 također uzrokuje pretjeranu proliferaciju keratinocita, karakterističnu karakteristiku psorijaze [12]. Ako glifosat uzrokuje pojačanu regulaciju SRSF6 u stanicama raka dojke, to vjerojatno uzrokuje pojačanu tumorigenezu kod izloženih ljudi.
 
ANT dolazi u nekoliko različitih izoformi s različitim učincima na staničnu biologiju, ali ona koja je visoko izražena u stanicama raka dojke je ANT2, i pokazalo se da je važna za održavanje preživljavanja tumora. Posao ANT2 je transport ATP-a u mitohondrije, a ta aktivnost je važna kada ćelija radi pod pretpostavkama Warburgovog efekta. Stanice raka glikolizom proizvode mnogo svog ATP-a u citoplazmi, a zatim ANT2 prenosi ATP u mitohondrije kako bi mogle smanjiti količinu ATP -a koja im je potrebna za proizvodnju oksidativnom fosforilacijom. Ovo je dobra strategija za zaštitu od oksidativnih oštećenja, posebno kada mitohondrije mogu biti disfunkcionalne zbog DNK mutacija nastalih toksičnim izlaganjem. ANT2 zapravo programira ćeliju da provodi strategije koje dovode do povećane proliferacije, a ne apoptoze (ćelijske smrti) u prisustvu stresora [13]. Nedavno je bilo zanimanja za razvoj lijekova koji se bore protiv raka suzbijanjem aktivnosti ANT2 [14].
 
Buduće mogućnosti za otkrivanje proteina kontaminiranih glifosatom obiluju, a dok prikupljamo bazu podataka o specifičnim obrascima supstitucije, možda ćemo čak moći predvidjeti pravila za peptidne kontekste u kojima su ostaci glicina posebno osjetljivi, na primjer kada su susjedne aminokiseline male (kako bi se spriječilo steričke smetnje) ili pozitivno nabijene (da privuku glifosat na mjesto sastavljanja peptida zbog njegovog negativnog naboja). Zaista, ove vrste pravila već postaju očigledne u malom skupu preuzetom u Antoniou et al. eksperiment. Šest od 15 navodnih supstituiranih glicina odmah je praćeno pozitivno nabijenom aminokiselinom (lizin, histidin ili arginin). A deset je odmah prethodilo jedno od valina, leucina, serina ili treonina, koji su svi male aminokiseline, podržavajući prostor za rep metilfosfonila glifosata. Ako glifosat doista zamjenjuje glicin tijekom sinteze proteina, posljedice su nesvjesne, a podmukli kumulativni toksični učinci glifosata lako mogu objasniti porast koji danas vidimo u prevalenciji dugačkog popisa autoimunih, metaboličkih, neuroloških i onkoloških bolesti.

Reference

[1] MN Antoniou et al. Glyphosate does not substitute for glycine in proteins of actively dividing mammalian cells. BMC Res Notes 2019; 12:494. (Web veza)
[2] A Samsel and S Seneff. Glyphosate, pathways to modern diseases V: Amino acid analogue of glycine in diverse proteins. Journal of Biological Physics and Chemistry 2016; 16: 9-46. (Web veza) (Skinuti)
[3] A Zulet et al. Proteolytic Pathways Induced by Herbicides That Inhibit Amino Acid Biosynthesis. PLoS ONE 2013; 8(9): e73847. (Web veza)
[4] S Seneff et al. Does glyphosate acting as a glycine analogue contribute to ALS? J Bioinfo Proteomics Rev 2016: 2(3): 1-21. (Web veza) (Skinuti)
[5] A Zuin et al. Ubiquitin signaling: Extreme conservation as a source of diversity. Cells 2014; 3(3): 690-701. (Web veza)
[6] S Gunatilake et al. Glyphosate’s Synergistic Toxicity in Combination with Other Factors as a Cause of Chronic Kidney Disease of Unknown Origin. Int J Environ Res Public Health 2019; 16(15). pii: E2734. (Web veza) (Skinuti)
[7] Y Dong et al. Desensitizing plant EPSP synthase to glyphosate: Optimized global sequence context accommodates a glycine-to-alanine change in the active site. J Biol Chem 2019; 294(2): 716-725. (Web veza)
[8] R Bar-Shavit et al. G Protein-Coupled Receptors in Cancer. Int J Mol Sci 2016; 17(8). pii: E1320. (Web veza)
[9] MT Lewis. Homeobox genes in mammary gland development and neoplasia. Breast Cancer Research 2000; 2: 159. (Web veza)
[10] M Cohen-Eliav et al. The splicing factor SRSF6 is amplified and is an oncoprotein in lung and colon cancers. J Pathol 2013; 229(4): 630-9. (Web veza)
[11] MA Jensen et al. Splicing factor SRSF6 promotes hyperplasia of sensitized skin. Nat Struct Mol Biol 2014; 21(2): 189197. (Web veza)
[12] H Valdimarsson et al. Psoriasis: a disease of abnormal Keratinocyte proliferation induced by T lymphocytes. Immunol Today 1986; 7(9): 256-9. (Web veza)
[13] SH Baik and J Lee. Adenine nucleotide translocase 2: an emerging player in cancer. J Stem Cell Res Med 2016; 1(2): 66-68. (Web veza)
[14] J-Y Jang et al. Suppression of adenine nucleotide translocase-2 by vector-based siRNA in human breast cancer cells induces apoptosis and inhibits tumor growth in vitro and in vivo. Breast Cancer Research 2008; 10(1): R11. (Web veza)

Creative Commons License
Da li glifosat zamjenjuje glicin u bjelančevinama ćelija koje se aktivno dijele? od Stephanie Seneff licencirano je pod a Creative Commons Attribution 3.0 United States License.

 

Životne zone u okeanu

Original: https://php.radford.edu/~swoodwar/biomes/?page_id=408

Dr. Susan L. Woodward

I. Horizontalne zone (one koje se protežu od kopna do mora).

A.  Obalno područje: ono područje u kojem plima i oseka izlažu morsko dno u nekom dijelu svakog dana. Staništa se naizmjenično potapaju pod slanu vodu i satima preplavljuju, a zatim izlažu zraku i satima isušuju. Poznato i kao primorje, obalno područje i zona međuplima.

B.  Pelagička zona: smještena je prema moru od oseke priobalnog područja, koja sadrži prostrane otvorene vode okeana. Prepoznata su dva pododjela:

a. Neretička zona: voda iznad kontinentalnog šelfa. Sa izuzetkom Antarktika, ove vode se obično protežu do dubine od 600 stopa. Sunčeva svjetlost prodire kroz čitav vodeni stupac.

b. Okeanska zona: Područje mora koje se proteže od ruba kontinentalnog pojasa, preko kontinentalne padine i preko okeanskog dna. Karakterizira ga mrak i strašan pritisak. Ovdje su značajne vertikalne životne zone.

II. Vertikalne životne zone okeanske zone.

A. Neusticna zona: tanki film ili “koza” nastala povrsinskim naponom na povrsini vode

B. Eufotična zona: Vrh vodenog stupca dolje dolje dostupan je svjetlost za fotosintezu. Ovisno o čistoći vode, dno eufotične zone je oko 500 stopa ispod nivoa mora. Poznata i kao epipelagijska zona.

C. Afotična zona: ostatak vodenog stupca ispod eufotične zone. Lanci ishrane obično započinju detritusom ili živim algama i bakterijama koje tone odozgo. Ova zona je dalje podijeljena po dubini na sljedeći način:

Mezopelagijska zona: 500 do 3.280 ft ispod površine mora.
Batypelagic zona: 3.280 do 13.000 ft ispod površine mora
Abiseopelagijska zona: 13.000 do 20.000 stopa ispod površine mora
Zona Hadal: 20.000 do 35.000 ft ispod površine mora.

III. Bentoska zona

Ova zona sadrži sva staništa morskog dna, bilo u obalnom, kontinentalnom pojasu ili dubokom moru. Organizmi mogu živjeti unutar materijala na dnu ili na njegovoj površini.

 

 

Pustinjski piling

Original: https://php.radford.edu/~swoodwar/biomes/?page_id=107

Dr. Susan L. Woodward

Uvod: Pustinjska područja rijetko su lišena života. Umjesto toga, obiluju čudesno prilagođenim biljkama i životinjama koje su razvile različite mehanizme za toleriranje ili izbjegavanje ekstrema sušnosti i temperature koji bi se mogli naći u njihovom okruženju. Pustinje se razvijaju pod četiri različita geografska uvjeta:

  • Ispod zona visokog atmosferskog pritiska povezanih sa suptropskim pojasevima i usredsređenih blizu 30° geografske širine. Zrak koji se spušta iz gornjih slojeva atmosfere na ovim geografskim širinama uzrokuje da isparavanje premaši količinu padavina. Veliki dio Sahare i australijske pustinje mogu se povezati s ovom pojavom.
  • Zapadne obale kontinenata između 20° i 30° geografske širine. Na ovim geografskim širinama, vjetrovi prevladavaju istočni i sprečavaju dolazak vlažnog zraka na zapadnu obalu. Na tim se lokacijama također javljaju hladne okeanske struje, a vlaga u morskom zraku kondenzira se kao magla uz obalu. Neke od najsušnijih pustinja na svijetu nalaze se na samoj obali; primili su većinu ograničenih padavina iz magle. Takve pustinje u magli uključuju Donju Kaliforniju u Sjevernoj Americi, zapadnu Saharu u sjevernoj Africi; Atacama u Južnoj Americi i Namib u južnoj Africi.
  • Kišne sjene visokih planinskih lanaca. Kada se zračne mase prisiljavaju preko planina i padina, one se zagrijavaju i povećava se sposobnost zadržavanja vodene pare. Isparavanje premašuje padavine i na zavjetrini se stvara sušno okruženje ili kišna sjena. Takvi uslovi objašnjavaju neke sjevernoameričke pustinje (kao primjer u Dolini smrti, Kalifornija), patagonsku pustinju u Argentini; i peruansku pustinju.
  • Interijeri kontinenata. Obično u kombinaciji s efektom kišne sjene, udaljenost od glavnog izvora vlažnog zraka rezultira suvom klimom u unutrašnjosti kopnene mase. Velika američka pustinja, australijska pustinja i pustinja Gobi u Mongoliji mogu se velikim dijelom objasniti njihovim unutrašnjim položajima.

Klima: Aridne klime (BWh i BWk) su one s prosjekom manje od 10 inča padavina godišnje. Potencijalno isparavanje premašuje padavine u godišnjem budžetu za vodu. Nadalje, kiša je vrlo lokalizirana i relativno je nepredvidljiva u smislu kada će se dogoditi, iako obično postoje sezone najveće vjerovatnoće za padavine. Godišnje razlike u ukupnim padavinama takođe mogu biti velike. Temperature su takođe promenljive. Ljeti mogu prijeći 100° F, ali noću zaronite za 20-30 stupnjeva ili više. Zime su hladne do hladne: „vruće pustinje“ rijetko doživljavaju mraz; „Hladne pustinje“ mogu imati duži period ispod temperature smrzavanja i sniježnih padavina.

Vegetacija: Grmlje je dominantni oblik rasta pustinja. Mogu biti zimzeleni ili listopadni; obično imaju male listove; a često imaju bodlje ili bodlje i/ili aromatična ulja. Plitki, ali opsežni korijenski sistemi nabavljaju kišnicu i dalje od krošnji grma kad god padne kiša. To su pravi kserofiti prilagođeni podnošenju ekstremne suše. Oni čine otvorenu krošnju i, osim nakon kiša, kada jednogodišnje biljke mogu prekriti pustinjsko dno, tlo između grmlja nema vegetativnog rasta.

Vode u pustinjskom okruženju ne nedostaje u potpunosti, a nekoliko drugih oblika rasta predstavlja strategiju za dopiranje do vode ili njeno skladištenje:

  • Phreatophytes su biljke s dugim korenskim korijenima koje se mogu protezati prema dolje za 20 do 30 stopa kako bi se dotakle zalihe podzemne vode. Podzemna voda može biti lako dostupna duž isprekidanih potoka ili ispod dina. Mesquite je dobar primjer ovdje u Sjevernoj Americi.
    Jedna od najneobičnijih freatofija na svijetu je Welwitschia mirabilis iz Namiba.
  • Sukulenti skladište vodu nakupljenu tokom kiša da bi je koristili za vrijeme sušnih perioda. Različite vrste skladište vodu u različitim dijelovima biljke; otuda možemo prepoznati matične sukulente, sukulente lišća, korijenske sukulente i voćne sukulente. Mnoge biljne porodice imaju članove koji su razvili sočnost. Među američkim sukulentima najistaknutiji su Cactaceae; u Africi su sočne euforbije razvile oblike i veličine nalik kaktusima. Agave (Liliaceae) su primjeri sukulenata lišća u Americi; njihovu ulogu u Africi ispunjavaju aloje (Liliaceae). Većina sukulenata ne podnosi temperature smrzavanja, tako da su u osnovi ograničeni na vruće pustinje.
  • Još jedan oblik rasta prilagođen pustinjskim uslovima je efemerni. Ovo je posebno kratkotrajna godišnja patnja koja svoj životni ciklus završava za dvije-tri sedmice. Sjeme je obloženo vodootpornom prevlakom koja sprečava isušivanje godinama ako je potrebno. Ove biljke u osnovi izbjegavaju sušu tako što se većinu vremena javljaju kao sjeme.
  • Višegodišnje vrste s podzemnim lukovicama pohranjuju hranjive sastojke i vodu u podzemna tkiva, a također ostaju uspavane većinu godine. Oni mogu brzo niknuti nakon dovoljne kiše i napuniti svoje podzemne zalihe.

Tla: Kalcifikacija je dominantan proces formiranja tla, ako se zaista i dogodi. Loše je razvijen horizont, sa akumulacijom kalcijum-karbonata na površini ili blizu nje. Rijetki vegetativni pokrivač i sitni listovi rezultiraju malo humusa i tla obično imaju svijetlo sivu boju. Aridosoli su dominantni poredak tla.

Fauna: Poput biljaka, i životinje u pustinji razvile su niz strategija za suzbijanje suvoće.

  • Česte su adaptacije ponašanja, poput noćne ili krepuskularne, fosorijalne i zadržavanja hlada po dnevnoj vrućini.
  • Morfološke adaptacije uključuju one koje su primijetili Bergmann, Allen i Golger. Što su tjelesne toplote toplije životinje toplije u okolinu, veličine tijela su malene i dodaci dugi. Pelaž i perje su svijetle boje da odražavaju sunčevu svjetlost i pomažu u sprječavanju apsorpcije topline iz okoline.
  • Rijeđe, ali važne su fiziološke adaptacije poput aestivacije (mirovanje tokom ljeta), odsustvo znojnih žlijezda, koncentracija urina, lokalizirane naslage masti u repovima ili grbama; i slane žlijezde za lučenje soli bez gubljenja tečnosti.

Gmazovi sa svojom vodonepropusnom kožom, proizvodnjom mokraćne kiseline umjesto urina, jajima s tvrdom ljuskom i sposobnošću da dobiju tjelesnu toplinu direktno od sunca i povuku se u hladovinu ili pod zemlju kako bi izbjegli vrućinu izuzetno su dobro prilagođeni suhim zemljištima i, što nije iznenađujuće, raznolika tamo.

Mnoge ptice u sjevernoameričkim pustinjama, tako usitnjene planinama koje nude vlažna staništa i stalne potoke, jednostavno dolete do slobodne vode i nisu ograničene nedostatkom otvorene vode. Oni održavaju sezone razmnožavanja poput ostalih ptica umjerenog pojasa sinhronizirane promjenom fotoperioda. U Australiji, gdje se zemljopis pustinje prilično razlikuje i aridnost je sve rasprostranjenija, populacije ptica sinhroniziraju spremnost za uzgoj u skladu sa naznakama kiše, koliko god one bile neuobičajene i sporadične.

  • Topla pustinjska klima: Gila Bend, AZ

climograph: BWh

  • Klima hladne pustinje: Turkestan, Kazahstan

Climograph: BWk

  • Globalna distribucija

world map

 

Estetski razvijeni virtualni ljubimci

Original: http://life.ou.edu/pubs/alife7a/

Thomas S. Ray
Zoologija, Univerzitet u Oklahomi, Norman, Oklahoma, 73019
Laboratoriji za istraživanje obrade ljudskih podataka ATR
2-2-2 Hikaridai, Seika-cho Soraku-gun, Kyoto 619-0288 Japan
[email protected], www.his.atr.co.jp/~ray/

Sažetak

Estetska, emocionalna i empatična selekcija primjenjuju se na izvedenicu evoluiranih virtualnih stvorenja Karla Simsa. Stvorenja koja nastanu mogu biti lijepa ili čudna i izazvati snažne reakcije kod ljudskih promatrača. Možda će biti moguće razviti virtualne kućne ljubimce s kojima ljudi mogu stvoriti snažne emocionalne veze.

Uvod

Evolucija je najveći kreativni proces koji znamo. Stvorio je duboku ljepotu žive prirode i dramu ljudskog uma. Čak su i umjetnosti epifenomen evolucije. Iako je teorijska nauka o evoluciji stara manje od dva vijeka, primijenjena nauka o evoluciji datira od početka civilizacije. Pripitomljavanje biljaka i životinja činilo je poljoprivrednu osnovu za nastanak civilizacije. Stoga uzgajanjem biljaka i životinja evoluciju koristimo kao alat za dizajn već desetine hiljada godina.

U proteklim decenijama naše se iskustvo u radu s evolucijom proširilo izvan organskog područja u digitalno. Danas uzgajamo računarske programe, digitalne organizme i medijsku umjetnost. Širenje evolucije u digitalni medij takođe je proširilo prirodu našeg odnosa prema evolucijskom procesu. Uzgoj biljaka i životinja sastojao se od ispitivanja kolekcije potomaka u jednoj generaciji i odabira onih koje ćemo koristiti kao roditelje sljedeće generacije, “selektivnog uzgoja”. Iako je selektivni uzgoj pretežno usmjeren na proizvodnju kvalitetnije hrane, ono je poprimilo i umjetnički kvalitet u uzgoju ukrasnih biljaka i kućnih ljubimaca.

Naš odnos prema digitalnoj evoluciji mnogo je širi. Obuhvaća širok spektar kontrole nad procesom (Ray 1998, Ray In Press). U jednoj krajnosti, postavili smo vještački životni sistem samoreplicirajućih se organizama koji evoluiraju prirodnom selekcijom i držimo ruke dalje od sebe, osim promatranja procesa. S druge strane, kontroliramo svaki aspekt reprodukcije i selekcije u sistemu. Čak i kada imamo potpunu kontrolu nad sistemom, reprodukcija i odabir mogu biti u potpunosti automatizirani, tako da se proces odvija bez ikakve ljudske intervencije, osim pokretanja procesa i tumačenja rezultata; uobičajena praksa u korišćenju genetičkih algoritama u inženjerstvu.

Postoje i primjeri digitalne evolucije u kojima, poput uzgoja biljaka i životinja, čovjek ispituje kolekciju potomaka i odabire one koji će postati roditelji sljedeće generacije. Jedan od najranijih primjera bio je program slijepog urara Richarda Dawkinsa (Dawkins 1987). Ovaj pristup podignut je u oblik umjetnosti pomoću Genetskih slika Karla Simsa (Sims 1991) i Galapagosa (Sims 1997). U Genetic Images i Galapagos, kao i u uzgoju ukrasnih biljaka, odabir se temelji na ljudskoj estetici.

Ovdje predstavljeni rad koristi estetski odabir, kao u Simsovim genetskim slikama, ali ga primjenjuje na drugi sistem koji je izvorno razvio Sims, poznat kao Evolved Virtual Creatures (Sims 1994a, Sims 1994b, preuzmi 9Mb video). U Simsovim evoluiranim virtualnim stvorenjima, genetski sistem definira razvojni proces koji generira tijelo izgrađeno od blokova, zglobne zglobove koji povezuju blokove i neuronski sklop za kontrolu kretanja zglobova. Evoluirana virtualna stvorenja (ovdje se nazivaju “stvorenja”) ugrađena su u simulaciju “stvarne” fizike, u kojoj doživljavaju sile inercije, trenja i po potrebi gravitaciju ili otpor fluida. Stvorenja se mogu razviti za plivanje, hodanje, skakanje, praćenje predmeta, nadmetanje za posedovanje predmeta i potencijalno za mnoge druge zadatke.

Ljudski promatrači imaju snažne emocionalne, empatične ili estetske reakcije kada promatraju bića Karla Simsa. Sims je stvorio Stvorenja za gore navedene zadatke, bez ljudske intervencije u evoluciji. Ovdje predstavljeni projekt uvodi sposobnost ljudi da vode put evolucije odabirom Bića na osnovu čovjekovih emocionalnih odgovora na Bića na način analogan uzgoju životinjskih ljubimaca. Vjeruje se da će to dovesti do evolucije Bića koja izazivaju još snažnije emocionalne, empatične i estetske odgovore. Ljudi mogu razviti virtualne kućne ljubimce s kojima stvaraju snažne emocionalne veze.

Metode

MathEngine

Karl Sims komentirao je da je najteži dio njegovog projekta Evolved Virtual Creatures bila simulacija fizike. To je bio najteži dio koda za pisanje, a simulacija fizike potrošila je više od 95% CPU ciklusa u pokretanju sistema. Karl je preporučio upotrebu fizičke biblioteke, a za ovaj projekt odabran je MathEngine.

Morfologija genom

Implementacija stvorenja započela je definicijom genetskih struktura koje kontroliraju morfologiju stvorenja. Genom definira usmjereni graf povezanih kutija. Svaki genom sadrži nasumično određen broj kutija. Dimenzije i boje kutija određuju se nasumično. Svaka kutija ima slučajni broj veza s drugim kutijama. Svaka veza nasumično je dodijeljena nekom od ostalih okvira u genomu. Za svaku vezu, mjesta kontaktnih točaka na svakoj od dvije povezane kutije se određuju slučajnim odabirom, a Eulerove koordinate odmorišnog zglobnog kuta veze između kutija se određuju slučajno. (Slika Sims, K. 1994a).

Genom se zatim prevodi u fenotip, tragom kroz nasumično povezane kutije. Ako se okvir poveže sam sa sobom, usmjereni graf je direktno rekurzivan. Rekurzija može biti neizravna, koja uključuje više od jednog okvira, kada niz veza na kraju vodi natrag na prethodni okvir. Genom uključuje nasumično određenu granicu direktne rekurzije. Tamo gdje se javljaju direktne rekurzije, preko rekurzivnog lanca kutija primjenjuje se slučajan broj gradijenata. Postoji dvadesetak znakova na koje mogu utjecati gradijenti, poput boje, dimenzija kutije i mjesta, kutova i krutosti spojeva između kutija.

Algoritam koji prevodi genotipove u fenotipove uključuje ograničenje ukupnog broja kutija, što efikasno ograničava indirektnu rekurziju. Praćenje veza genoma započinje slučajno određenim korijenskim okvirom koji ima slučajno određen broj veza s podređenim kutijama. Podređene kutije također sadrže slučajan broj (moguće nula) veza s podređenim kutijama. Tako je svaki okvir (osim korijena) povezan s jednim “roditeljskim” okvirom i slučajnim brojem podređenih okvira.

Spojevi aktuatora

Svaka “dječja” kutija ima jedan spoj sa roditeljskom kutijom. Zglob ima genetski definirane kutove odmora u odnosu na dječju i roditeljsku kutiju, a zglob sadrži oprugu koja ga vraća u prvobitnu orijentaciju kada je poremećen.
Dječja kutija uključuje pogon koji kontrolira Eulerove kutove (nagib, nagib, kotrljanje) na zglobu. Efektivno postoji osam mogućih aktuatora, ovisno o tome kojim se od Eulerovih kutova manipulira: nijedan; yaw; visina tona; kotrljanje; nagib+nagib; nagib+kotrljanje; pitch+roll; nagib+nagib+kotrljanje. Kojim se uglovima zapravo manipulira, ovisi o izlazima iz upravljačkog kruga (vidi sljedeći odjeljak).

Genom upravljačkog kruga

Pored genoma koji definira morfologiju, postoji i genom koji određuje strukturu upravljačkog kruga. Upravljački krug uključuje senzore, procesore i efektore. Efektori kontroliraju tri Eulerova kuta, nagib, nagib i kotrljanje na spojevima aktuatora između kutija. Postoje i efektori koji daju vrijednosti boja. Trenutno implementirani senzori osjećaju vrijeme, boju, Eulerove uglove spojeva aktuatora, položaj, brzinu, kutni moment i sile na pojedinačne kutije ili biće u cjelini, te relativni položaj predmeta. Elementi procesora uključuju veliki broj računskih primitiva kao što su sabiranje, množenje, veće od dnevnika, sinusa, tangente, arkozinuma, eksponenta, kvadratnog korijena, bitnog i itd.

Poput morfološkog genoma, kontrolni genom je nasumično konstruirani usmjereni graf. Kompletni upravljački sklop nasumično se kreira za svaku kutiju u genomu. Pored toga, kreira se jedan “globalni” upravljački krug koji nije povezan ni sa jednim okvirom. Grafikoni usmjereni upravljačkim krugom ugniježđeni su unutar usmjerenog grafa morfologije.

Za svaki krug određuje se slučajan broj elemenata kruga (neurona). Tip svakog neurona određuje se nasumično (npr. Efektor boje, senzor brzine, procesor kvadratnog korijena). Broj veza za svaki neuron ovisi o njegovoj vrsti. Neuroni su nasumično povezani. Veze su nasumično dodijeljene jednom od četiri bazena neurona: u globalnom krugu, u lokalnom krugu, u roditeljskom kutiju, u kćerkom boksu. Veze s drugim neuronima u lokalnom krugu mogu se odrediti na nivou genotipa, ali veze s neuronima u krugovima u drugim kutijama ili u globalnom krugu moraju se utvrditi u trenutku kada se genotip prevede u fenotip.

Otkrivanje sudara

U odsustvu otkrivanja sudara, uobičajeno je da morfologija rezultira oblicima u kojima kutije međusobno prodiru. Da bi se moglo otkriti i ograničiti međuprodiranje kutija, implementirana su dva algoritma za otkrivanje sudara. Međutim, niti jedan algoritam ne daje zadovoljavajuće rezultate. Sistem se obično izvodi s isključenom detekcijom sudara.

Fizička aktivnost

Da bi se podržalo ponašanje u plivanju, implementira se jednostavna dinamika fluida dodavanjem sile normalne na površinu, proporcionalnu njenoj površini i brzini, simulirajući tako otpor fluida. Ovaj simulirani otpor fluida može se uključiti ili isključiti. Iako simulirani otpor fluida dozvoljava ponašanje plivanja prirodnog izgleda, bića ponekad akumuliraju neprirodne količine zamaha, bilo linearnog ili kutnog impulsa.

Takođe, budući da se otkrivanje sudara uglavnom ne koristi, ponekad nekoliko kutija zauzima približno isti prostor. Budući da ne zanemarujemo skrivene površine pri izračunavanju otpora fluida, nekoliko kutija koje zauzimaju isto mjesto može generirati vrlo jaku silu vuče fluida, uzrokujući da ove strukture postignu neprirodno velike linearne ili ugaone brzine.

Jasno je da algoritmi dinamike fluida nisu potpuno tačni i trebaju daljnji razvoj. Međutim, cilj ovog projekta nije stvoriti tačnu simulaciju “stvarne” fizike. Cilj je stvoriti Bića koja izazivaju snažan emocionalni, estetski ili empatični odgovor kod ljudi. Uprkos greškama u simulaciji dinamike fluida, trenutni sistem proizvodi lijepe i zanimljive pokrete.

Da bi se podržalo ponašanje u hodu, osiguravaju se gravitacija, podloga i sile trenja. Gravitacija se može uključiti ili isključiti, a ravnina tla može biti propusna ili nepropusna.

Evolucija

Kako bi se omogućila evolucija, implementiran je bogat skup genetskih operatora koji utječu na sve genetski određene likove morfologije i komponenata ponašanja genoma. Korisnik može odabrati bilo koje stvorenje, zatim proizvesti genetske varijante od njega i odabrati među tim varijantama za roditelja sljedeće generacije. Na taj način korisnik može usmjeriti evoluciju kroz estetski odabir.

Pored toga, implementiran je genetski algoritam koji omogućava automatiziranu evoluciju određenih ponašanja. Karl Sims koristio je GA za automatizaciju evolucije izborom za: brzinu plivanja, brzinu puzanja/hodanja, visinu skakanja, sposobnost praćenja.

  

Sims je također koristio GA odabir za posjedovanje bloka kako bi stvorio koevolucijski scenarij.
    

Umjesto da koristim GA odabir za natjecanje, evoluiraću svoja stvorenja da zavole odabirom za kretanje jedno prema drugom, zatim maksimalni površinski kontakt, a zatim nastavak relativnog kretanja dok su u kontaktu.

Trenutno je u GA implementirana samo jedna funkcija fitnesa koja odabire mogućnost praćenja objekta koji se povremeno pomiče u slučajne položaje u odnosu na stvorenje. Ovo je prvi od tri koraka koji vode evoluciji izgleda naklonosti.

Rezultati

Usmjerena grafska struktura genoma pruža bogat skup morfologije i ponašanja nasumično stvorenih bića. Mnoga od ovih bića pokazuju estetski privlačne oblike, boje i pokrete. Mnogi od njih sposobni su za značajne količine plivanja i puzanja, čak i bez utjecaja evolucije kako bi poboljšali svoju sposobnost kretanja.

Akumuliran je zoološki vrt sa stotinama zanimljivih genoma. U početku je većina njih pronađena slučajnim pretraživanjem, bez pomoći evolucije. Ipak, evolucija se pokazala snažnim alatom za poboljšanje estetskih kvaliteta stvorenja. Većina mojih omiljenih stvorenja u zoološkom vrtu poboljšana je selektivnim uzgojem. Navešću nekoliko primjera omiljenih bića iz zoološkog vrta.

FlowerWave i potomci

Naišao sam na prilično lijepu formu koju sam izvorno nazvao CoilFlower, a CoilFlower01 i CoilFlower02 spremio sam u Zoološki vrt. CoilFlower01 je poput cvijeta koji ritmično cvjeta, a CoilFlower02 podsjeća me na val koji se srušio na sebe. Nešto kasnije, pregledavajući zoološki vrt, razvio sam naklonost prema njima i odlučio pokušati ih evoluirati. Također sam zaključio da zaslužuju bolje ime, pa sam preimenovao seriju FlowerWave.

Bio sam posebno zainteresiran za pokušaj razvijanja neke lijepe aktivnosti efektora neuronskih boja, što sam i uspio. Međutim, u procesu odabira za lijepe promjene boja, izgubio sam predivan oblik. Odlučio sam da upotrijebim novi alat koji sam razvio za selektivno fokusiranje mutacija. Isključio sam mutacije tijela i dopustio samo mutacije neuronskih mreža. Na taj način evoluirao sam ponašanje zadržavajući morfologiju fiksnom. Toliko o koevoluciji mozgova i tijela. Serija FowerWave evoluirala je tako da se može gledati s postavkama Color Effectors – Neuron i Body Shape – Ellipsoid. Važno je koristiti ove postavke kada ih pregledavate. Upečatljiva stvar kod njihovih efektora neuronskih boja je to što boje istječu iz baze cvijeta, krećući se od latice do latice.

Nakon velikog izbora, naišao sam na FlowerWave36. Ovo kombinira vrlo zanimljive promjene živčane boje sa sjajnom formom i pokretima. Boje teku iz baze.

   

Nastavivši tu seriju malo dalje, naišao sam na FlowerWave73. Boje pulsiraju u svjetlini i mijenjaju nijansu.

U ovom trenutku mislio sam da bi bilo zanimljivo držati fiksnu neuronsku mrežu i razvijati tijelo. Nakon daljnjeg odabira naišao sam na FlowerWave45.
  

Nakon što sam se dalje razvijao na ovaj način, zaključio sam da je vrijeme da pustimo da i mozak i tijelo evoluiraju zajedno. Na kraju me ovo odvelo do FlowerWave56, koji ima nevjerojatan slijed tokova boja.
   

To je formirao početak serije tokova boja, a to je loza koja je bila podvrgnuta najvećoj estetskoj selekciji tokom stotina generacija. U početku je boja tekla diskretnim koracima duž tijela. Odnosno, određena vrijednost boje preskakala je od kutije do kutije niz lanac. Htio sam vidjeti da li bi bilo moguće da boje teku kontinuiranije, s vrijednostima boja koje se postepeno mijenjaju, dok teku niz lanac. Ovo se pokazalo mogućim. Takođe, evoluirala su mnoga stvorenja osjetljiva na dodir, kod kojih dodir uzrokuje pulsiranje boje niz lanac. Ta se bića u Zoološkom vrtu mogu prepoznati po imenima ColorFlowB, ColorFlow2Head, ColorBiFlow, ColorSense, CoilFlower. Ovo su neka od estetski najspektakularnijih bića u zoološkom vrtu (moraju se gledati s postavkom “Boja – Neuron”). “Pomoć – Zoološki vrt” sadrži popis ovih bića i njihove individualne karakteristike, poput osjetljivosti na dodir ili kretanje. Sljedeće slike su (redom): ColorFlowB28, ColorFlowB53, ColorBiFlow14, ColorBiFlow14, ColorSense05, ColorFlow2Head03, CoilFlower04, CoilFlower05, CoilFlower06, CoilFlower06.
         

Atrakcija

Genetski algoritam korišten je za evoluciju bića koja prate objekt koji se na ekranu pojavljuje kao zelena kugla. Desetak njih uključeno je u zoološki vrt i mogu se prepoznati po tome što njihova imena počinju s “Atrakcija” i poprimaju oblike poput “AttractionDd22894”, pri čemu broj 22.894 znači da je to 22.894. genom koji je procijenjen genetskim algoritmom. Slike ispod su (redom): AttractionAa14986, AttractionDc13096, AttractionDd22894, AttractionEb09635, AttractionFa17134, AttractionFb14291, AttractionFe10397, AttractionGd15080.
       

Ladder13

Ladder13 rezultat su mog prvog iskustva s evolucijom stvorenja. Dok sam nasumično stvarao stvorenja, naišao sam na upadljiv oblik, koji se sastojao od šest ravnih ploča u nizu i dvanaest šipki raspoređenih sa po šest na obje strane. Iako me obrazac privlačio, bio je gotovo potpuno nepomičan. Odlučio sam pokušati odabrati za pokret. To se pokazalo izvodljivim, a u sljedećih nekoliko generacija pokreti svih dijelova postupno su se povećavali.
Tada sam slučajno naišao na pojedinca koji je eksplodirao (s fizičkom bibliotekom MathEngine, strukture će eksplodirati ako su sile prevelike). Eksplozija je nesretan rezultat jer znači nestanak bića. Međutim, eksplozija je također vrsta kretanja, i zapravo je kretanje bilo mnogo veće od bilo kojeg stvorenja u seriji do ovog trenutka. Odlučio sam odabrati eksplodirajuće stvorenje i pokušati smanjiti sklonost eksploziji daljnjim uzgojem.

U uzastopnim generacijama, vrijeme prije eksplozije se postupno povećavalo, sve dok eksplozija nije bila potpuno eliminirana. Međutim, nastalo stvorenje, Ladder13, zadržava fascinantan ostatak eksplozivne tendencije. Savršeno je uravnotežen na ivici između eksplozije i povlačenja. Ubrzo nakon rođenja, ravni paneli počinju da se trese, a zatim se lanac panela okreće, klizeći jedni kroz druge. Cijela kolekcija dijelova raspršuje se i počinje vrtjeti kao u vihoru. Kada se raštrkani dijelovi potpuno poremete, ravni paneli mogu ponovno početi tresti, a potresanje nekako vraća dijelove u prvobitne položaje. Predenje tada može na trenutak zastati, prije nego što se lanac ploča ponovo okrene, a sakupljanje dijelova ponovo zavrti i rasu se u neredu. Zanimljivo je gledati ovo stvorenje s postavkom Neuron Color Effectors.

Magnets02 i LittleArmShakey takođe pokazuju ovu fascinantnu ravnotežu između eksplozije i povlačenja. Međutim, za razliku od Ladder13, ovo dvoje će na kraju eksplodirati. Ako brzo eksplodiraju, jednostavno ih pokrenite, obično traju dugo prije nego što eksplodiraju.

   

SkyDiver04

Lanac od pedeset i pet vitkih ploča u spektru boja, SkyDiver04 pokazuje možda pet različitih obrazaca oblika i ponašanja. Rođen je sa svojim dugim tijelom ispruženim u prekrasan uzorak petlji i oblina (prvi oblik/ponašanje), ali tijelo odmah sažima u neku vrstu trokutaste harmonike (drugi oblik/ponašanje). U ovom obliku ostaje nekoliko minuta, lagano dišući i polako uvijajući tijelo sve više i više. Potom iznenada pukne i preustroji svoje tijelo u konusnu zavojnicu, petougaonu na malom i heksagonalnu na velikom kraju (treći oblik/ponašanje).

Ako ga ne ometaju nekoliko minuta, može započeti proljetni ples, zadržavajući uglavnom isti suženi oblik (četvrti oblik/ponašanje). Glava i rep istovremeno započinju snažnu kontrakciju, koja uzrokuje prolazak valova kroz tijelo, od repa prema glavi i od glave prema repu, dva vala koja se susreću u najdebljem dijelu tijela.

Treći i četvrti oblik morfološki su isti, ali se ponašaju različito (treći počiva, dok se četvrti ugovara). Stvorenje se spontano izmjenjuje između trećeg i četvrtog oblika, ali očito ostaje u ta dva oblika na neodređeno vrijeme ako ostane nesmetano. Evo distribucije frekvencije intervala između kontrakcija tokom prvog sata. Ako ostane nesmetano nekoliko sati, čini se da Stvorenje rasipa svoju energiju i zaustavlja kontrakcije.

Ako je drugi oblik poremećen, ubrzat će njegovu transformaciju u treći oblik. Uznemirivanje trećeg/četvrtog oblika uzrokovaće njegovo ponovno pretvaranje u drugi oblik. Ponekad ove poremećene transformacije rezultiraju hibridnim oblicima.

Slučajno, SkyDiver04 je rođen na strani y-z ravni koja odgovara negativnoj x-osi. Ako se u bilo kojoj fazi svog života Stvorenje povuče preko ravni y-z u pozitivno područje x-osi (koristite x taster), započinje graciozni ples napravljen od petlji (peti oblik). Čini se da će ostati u petom obliku sve dok je na pozitivnoj x strani y-z ravni. Ako se povuče natrag na negativnu x stranu ravnine y-z, transformirat će se natrag u oblike od dva do četiri. Ako tijelo pređe y-z ravninu, to može dati mješovite rezultate.

Slike ispod prikazuju prvi oblik SkyDiver04:

 

Slike ispod prikazuju drugi oblik SkyDiver04:
     

Slike ispod prikazuju treći oblik SkyDiver04:
   

Slike ispod prikazuju peti oblik SkyDiver04:
  

Spinner04

Pretražujući slučajne genome, naišao sam na lanac od pet ljubičastih blokova koji su se brzo izmakli kontroli. Mali izbor dovodi do lanca od sedam crvenih ravnih ploča u blago uvijenoj konfiguraciji, poput propelera. Oni se takođe počinju vrtjeti, kao da se mogu izmaknuti kontroli i eksplodirati. Ali kako se okretanje ubrzava, lanac se suptilno savija, zaustavljajući na trenutak zaustavljanje, a zatim okretanje započinje opet u novom smjeru, uvijek ubrzavajući, savijajući se, usporavajući do zaustavljanja i ponovo ubrzavajući.

FlatWorm05

Aktivni suženi lanac od petnaest ravnih četvrtastih ploča u promjeni ljubičastih nijansi i pasivni rep od oko četrdeset i osam malih šipki poredanih ukrštenim uzorkom, neke svijetloplave, neke mijenjajući nijanse ružičaste i žute boje. Masivno suženo tijelo i nježni rep spajaju se u plavo-sivi blok oko kojeg elegantno plešu. Pasivni rep prati vodstvo aktivnog tijela, kao u vanzemaljskom baletu.

 

Twister02

Konusni lanac od oko četrdeset osam blokova, isprva raspoređen u obrnutom žuto-zelenom kalemu, poput tornada. Zavojnica se brzo odmotava u zmiju, prebacujući se kroz svaku boju u spektru. Zmija se kovitla, uvija i pliva u nesigurnom vremenu, prije nego što se iznenada ponovo zavila u grčeću kaotičnu masu blokova brzo mijenjajućih boja.

Nakon nekog vremena, ova vrlo nesređena zavojnica raspoređuje se u vrlo geometrijski oblik, svaki put različit. Ponekad može imati oblik zgrade za struganje neba savršeno kvadratnih konusnih slojeva sa zlatnim blistavim pločama. Ponekad je to možda tordirana kula od svijetloplavih konusnih blokova. Smjesti se u potpuno nepomičan geometrijski oblik, iz kojeg se očigledno više nikada neće pomaknuti, osim ako ga se dodirne.

Kada se dodirne primjenom sile na neki dio tijela, ono se ponovno kreće. Stepen kretanja ovisi o snazi ​​i trajanju dodira i šansi. Može se ponovo potpuno odmotati u zmiju i uvijek na kraju poprimi drugi nepomični geometrijski oblik, svaki put drugačiji.

Jedanaest slika u nastavku predstavljaju vremenski slijed tipičnog ponašanja Twister02:

          

Na slici ispod prikazan je rijedak oblik otvorenog zavoja završnog mirovanja Twister02:

ColorfulWorm

Lanac od preko šezdeset blokova, dvije vrste, pronađeni slučajnim pretraživanjem, bez poboljšanja uzgojem. Ovaj se crv izvija i izvija, pokazujući najneverovatniji prikaz promenljivih boja.

     

SpazJerk

Također nasumičnim pretraživanjem pronađeno je pet plavih ili purpurnih prostorno pomičnih blokova raspoređenih otprilike u kvadrat povezan sa šest smeđih ravnih ploča i pričvršćenih na krak od sedam zelenih ili smeđih blokova koji se povremeno savijaju, a zatim iznenada trgnu.

Rasprava

Iako oblici i boje mogu biti lijepi i zanimljivi, pokret je taj koji ova stvorenja čini uvjerljivima. U prirodnom se svijetu mnoge stvari kreću, ali samo se živa bića kreću vlastitom snagom i voljom. Stoga, kada vidimo artefakte koji se kreću vlastitom snagom i voljom, možemo biti skloni osjećaju da su živi. Ali to ovisi o mnogim aspektima njihovog izgleda i kretanja. Automatska vrata osjećaju naš pristup i otvaraju se vlastitom snagom i voljom, ali mi ne osjećamo da su živa. Oni su samo mehanički uređaji.

Neka bića ovog djela imaju tako jednostavan izgled i pokrete da djeluju mehanički da izazovu sličan odgovor. Ipak, druga bića imaju više organskih oblika i suptilnijih pokreta zbog kojih izgledaju vrlo životno. Raspon oblika i ponašanja koje uočavamo među stvorenjima pokazuje da se preklapaju sa poznatim organskim oblicima života. Na primjer, vidimo mnoga bića sa zmijskim oblicima i pokretima. Ipak, postoje i mnogi oblici koji se potpuno razlikuju od bilo kojeg poznatog oblika života. Ipak, na svoj jedinstveni način izgledaju živi, ​​poput vanzemaljskih oblika života. Ali naravno, oni nisu živi, ​​oni su dinamični sistemi koji se poigravaju s našom percepcijom onoga što je živo.

Širok spektar oblika i ponašanja među stvorenjima izaziva širok spektar odgovora ljudskih korisnika. Stvorenja mogu izgledati predivno, elegantno, senzualno, nervozno, bizarno, čudno. Selektivni uzgoj može poboljšati bilo koju od ovih osobina.

Budući da ovaj rad nije pokušao tačnu simulaciju “stvarne” fizike, stvorenja se ponekad čine onostranim. Dijelovi tijela se međusobno prožimaju ili se potpuno odvajaju ili se razdvajaju. Promatranje ovih čudnih stvorenja vodi nas u drugi svijet. Možda se još čine živima, ali potpuno pod svojim uvjetima.

Zahvalnice

Ovaj rad potpomognut je istraživačkim ugovorom između Nippon Telegraph and Telephone Corporation i Univerziteta u Oklahomi. Zahvaljujem Timu Tayloru što me je ubrzao s MathEngineom. Zahvaljujem MathEngine-u što je njihov softver učinio dostupnim i pružio opsežnu tehničku podršku.

Dostupnost softvera

Ovaj softver je dostupan za besplatno preuzimanje na: http://life.ou.edu/VirtualLife/

Reference

Dawkins, Richard. 1987. The Blind Watchmaker. Norton.

Ray, T. S. 1998. La vita artificiale. In: Frontiere Della Vita, Estratto Dal Volume I. Gilbert, Walter, and Glauco Tocchini Valentini, [eds.], 109-125. Istituto della Enciclopedia Italiana, Fondata da Giovanni Treccani.

Ray, T. S. In press. Artificial Life. In: “From Atoms to Mind”, Gilbert, Walter, and Glauco Tocchini Valentini, [eds.]. Istituto della Enciclopedia Italiana Treccani. Rome. http://life.ou.edu/pubs/fatm/

Sims, K. 1991. “Artificial Evolution for Computer Graphics,” Computer Graphics (Siggraph ’91 proceedings), Vol.25, No.4, July 1991, pp.319-328.

Sims, K. 1994a. “Evolving Virtual Creatures,” Computer Graphics (Siggraph ’94) Annual Conference Proceedings, July 1994, pp.15-22. New York: ACM Siggraph.

Sims, K. 1994b. “Evolving 3D Morphology and Behavior by Competition,” Artificial Life IV Proceedings, R. Brooks and P.Maes [eds.], MIT Press, 1994, pp.28-39.

Sims, K. 1997. “Galapagos”.

CT0. La célula: una visión general

Original web-page: http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch250/ROBI_CellTutorial.html

Vías metabólicas

Henry Jakubowski

Probablemente has estudiado la célula muchas veces, ya sea en la escuela secundaria o en las clases de biología de la universidad. Hay muchos sitios web disponibles que revisan tanto las células procariotas (bacterianas), arqueológicas y eucariotas (ver enlaces en la parte inferior). Este tutorial está diseñado específicamente desde el punto de vista de la química. Explora cuatro clases de biomoléculas (lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos) y describe de manera ilustrada y simplificada dónde se encuentran, fabrican y degradan en la célula (es decir, su historia). Se centra en las células eucariotas, que a diferencia de las células procariotas más simples, tienen orgánulos internos rodeados de membranas que compartimentan las reacciones químicas. Primero se presenta una descripción general de la célula. Los capítulos posteriores se concentrarán en biomoléculas específicas.

Pensemos en una célula como una fábrica química que diseña, importa, sintetiza, utiliza, exporta y degrada una variedad de productos químicos (en el caso de las células, estos incluyen lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos). También debe determinar o detectar la cantidad de productos químicos crudos y terminados que tiene disponibles y responder a sus necesidades propias y externas aumentando o cerrando la producción. La figura de la celda a continuación y en otros sitios vinculados basada en ella se puso a disposición con el amable permiso de Liliana Torres. Haga clic en el hipervínculo azul s para algunos de los orgánulos de información más detallada sobre ellos.

Figura: Una célula eucariota

CellImageMap

http://torresbioclan.pbworks.com/w/page/22377234/Spikefish%20About%20Cells

Usar con permiso de Liliana Torres . También en http://www.animalport.com/animal-cells.html

Diseño – el diseño de una célula reside principalmente en el plano de la célula, el código genético, que se compone del ADN en el núcleo celular y una pequeña cantidad en las mitocondrias. Por supuesto, el modelo de ADN debe ser leído (transcrito) por enzimas de proteínas que fueron codificadas por el ADN. El código genético tiene el plan maestro que determina la secuencia de todas las proteínas celulares, que luego catalizan casi todas las demás actividades en la célula, incluida la catálisis, la motilidad, la estructura arquitectónica, etc. A diferencia de los polímeros de ADN, Ácido ribonucleico y proteínas, la longitud y La secuencia de un polímero de polisacárido no está impulsada por una plantilla, sino por las enzimas que catalizan la polimerización.

Importar/exportar: Muchos de los componentes químicos de la célula surgen no de la síntesis directa sino de la importación de moléculas pequeñas y grandes. Las moléculas importadas deben pasar a través de la membrana celular y, en algunos casos, a través de membranas adicionales si necesitan residir dentro de orgánulos unidos a la membrana. Las moléculas pueden moverse hacia la célula por difusión pasiva a través de la membrana, pero generalmente su movimiento es “facilitado” por un receptor de membrana. Las moléculas también pueden subir un gradiente de concentración en un proceso llamado “transporte activo”. Dada la naturaleza anfifílica de la bicapa (exterior del grupo de cabeza polar, interior no polar), es de esperar que una molécula polar como la glucosa tenga dificultades para moverse a través de la membrana. De hecho, las proteínas de transporte de membrana están involucradas en el movimiento de las moléculas no polares y polares.

– transportadores, proteínas portadoras y permeasas: Estas proteínas de membrana se mueven las moléculas de ligando específico través de una membrana, típicamente por un gradiente de concentración. Las simulaciones por ordenador de la difusión facilitada de lactosa través de la membrana se muestran en el siguiente enlace.   Animación de difusión lactosa a través del receptor LacY

(El enlace de arriba e inmediatamente a continuación son de la Teórica y computacional biofísica  grupo en el Instituto Beckman, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Estas simulaciones de dinámica molecular se hicieron con otro apoyo VMD/NAMD/BioCoRE/JMV/software desarrollado por el grupo con el apoyo de los NIH.)

– los canales de iones – Estas proteínas de la membrana permiten el flujo de iones a través de membranas. Algunos son permanentemente abierta (nongated) mientras que otros son cerradas abierta o cerrada dependiendo de la presencia de ligandos que se unen el canal de la proteína y el medio ambiente local de la proteína en la membrana. Flujo de iones a través de las ganancias de canal en una dirección favorecida termodinámicamente, que depende de su concentración y tensión gradientes través de la membrana.

– poros: Algunas membranas (nuclear, mitocondrias) se ensamblan las proteínas (tales como porinas) para formar grandes, pero los poros regulados. Porins se encuentran en las membranas mitocondriales mientras nucleoporins se encuentran en la membrana nuclear. Las moléculas pequeñas pueden pasar generalmente a través de estos poros de la membrana mientras que las grandes uno se selecciona en base a su tendencia a formar fuerzas de atracción intermoleculares transitorios con las proteínas de los poros. Los siguientes enlace muestra la difusión de agua a través de acuaporina. animación de la difusión del agua a través del canal de acuaporina,

– endocitosis: partículas muy grandes (por ejemplo, LDL o lipoproteínas o virus de Baja Densidad) pueden entrar a una célula mediante un proceso denominado endocitosis. Inicialmente, el LDL o virus se une a un receptor en la superficie de la célula. Esto desencadena una serie de eventos que conduce a la invaginación de la membrana de la célula en ese punto. Esto a la larga pellizca para formar un endosomal vesícula que está rodeado por una proteína llamada clatrina. endosomas “temprano” pueden recoger nuevas proteínas y otros componentes, así como arrojar ellos a medida que se mueven y maduran a través de la célula. Durante este proceso de maduración, las bombas de proteína en el plomo endosoma a una disminución en el pH endosomal que puede conducir a cambios de conformación en la estructura de proteínas y derramamiento de proteínas. Finalmente, los “tarde” endosoma alcances y se fusiona con el lisosoma, un orgánulo interna que contiene enzimas de degradación. componentes no degradadas como los ácidos nucleicos virales o colesterol, se entregan a la célula. Este transporte también puede ir en los receptores de dirección y reciclar inversa a la membrana celular. Asimismo vesículas pellizcado fuera desde el fusible puede complejo de Golgi con endosomas, con algunos componentes que sobrevivieron el proceso de volver a entrar en el aparato de Golgi.

Sintetizar/degradar: las células deben sintetizar y degradar moléculas pequeñas, así como proteínas poliméricas, carbohidratos y ácidos nucleicos más grandes. Las vías anabólicas (sintéticas) y catabólicas (degradativas) a menudo están compartimentadas en el tiempo y el espacio dentro de una célula. Por ejemplo, la síntesis de ácidos grasos se lleva a cabo en el citoplasma, pero la oxidación de ácidos grasos se lleva a cabo en las mitocondrias. Las proteínas se sintetizan en el citoplasma o se completan en el retículo endoplásmico (para proteínas de membrana y exportadas) mientras se degradan en el lisosoma o, lo que es más importante, en una gran estructura multimolecular en la célula llamada proteasoma.

Consideremos algunas características clave de una celda antes de entrar en detalles.

Las células y sus compartimentos internos tienen concentraciones reguladas de iones e iones hidronio.

Como era de esperar, el pH del citosol (la sustancia acuosa que rodea todos los orgánulos dentro de la célula) varía de aproximadamente 7,0 a 7,4, dependiendo del estado metabólico de la célula. Algunos orgánulos tienen transportadores de protones que pueden alterar significativamente el pH dentro de un orgánulo. Por ejemplo, el pH dentro del lisosoma, un orgánulo degradante, es de aproximadamente 4,8. El colapso del gradiente de pH a través de la membrana mitocondrial interna es suficiente para impulsar la síntesis termodinámicamente desfavorable de ATP.

En comparación con el fluido extracelular, la concentración de iones de potasio es mayor dentro de la célula, mientras que las concentraciones de iones de sodio, cloruro y calcio son más altas en el exterior de la célula (ver la tabla a continuación). Estos gradientes de concentración son mantenidos por transportadores de iones y canales y requieren un gasto de energía en última instancia en forma de hidrólisis de ATP. Los cambios en estas concentraciones son parte integral del sistema de señalización utilizado por la célula para detectar y responder a los cambios en sus entornos externos e internos.

El agua se encuentra en forma masiva, así como unida a macromoléculas como proteínas y polisacáridos. Se esperaría que estas aguas tengan diferentes propiedades. La siguiente tabla muestra las concentraciones aproximadas de iones en la célula.

 

Ion Dentro (mM) Fuera (mM)
Na+ 140 5
K+ 12 140
Cl- 4 15
Ca2+  1 uM 2

Las celdas tienen un marco interno que proporciona soporte arquitectónico y estructural interno. 

La arquitectura “citoesquelética” de una (con estructuras de “cordones” moleculares y “tipo viga”) no es diferente de una fábrica.

Cytoskeleton

http://www.cybercom.net/~copters/trips/pictures/factory_inside.jpg   http://en.wikipedia.org/wiki/File:FluorescentCells.jpg

El marco interno o citoesqueleto de una célula, se compone de microfilamentos, filamentos intermedios, y los microtúbulos. Estos están compuestos de proteínas monoméricas que autoensamblarse para formar la arquitectura interna. Piezas del citoesqueleto se pueden ver en la foto de arriba (tomado de Wikipedia).

En la imagen se muestran microfilamentos de monómeros de actina (que están teñidos con un fluoróforo rojo/naranja) y microtúbulos que ofrecen más soporte estructural hecho de monómeros de tubulina (teñidos de verde) junto con el núcleo teñido de azul. Los orgánulos son compatibles y organizados por el citoesqueleto (principalmente microtúbulos). Incluso la membrana celular está soportada debajo de la valva interna por actina (naranja teñida) y microfilamentos de espectrina. Las proteínas motoras como la miosina (que se mueve a lo largo de los microfilamentos de actina) y la dineína y la kinesina (que se mueven a lo largo de los microtúbulos de tubulina) transportan carga (vesículas, orgánulos) de forma direccional. La célula no es una colección desorganizada de moléculas y orgánulos. Más bien es un producto altamente organizado para una producción, uso y degradación químicos óptimos.

Las células tienen una variedad de formas. Algunas células inmunes circulantes deben deslizarse a través de las células que recubren las paredes capilares para migrar a los sitios de infección. El mismo proceso ocurre cuando las células tumorales hacen metástasis y escapan a otros sitios del cuerpo. Para hacerlo, la célula debe cambiar drásticamente la forma, una respuesta que requiere la disociación de los polímeros del citoesqueleto en monómeros que están disponibles más tarde para la repolimerización.

La celda es un lugar increíblemente lleno de gente.

En los laboratorios de química, por lo general trabajo con soluciones diluidas de moléculas de soluto en un disolvente. Usted probablemente ha escuchado que el cuerpo está compuesto de agua 68%, pero la concentración de agua es, obviamente, depende del entorno celular. moléculas de soluto como proteínas y carbohidratos están densamente empaquetados. Las células se tan lleno que el espacio entre las moléculas más grandes, como la proteína es menor que el tamaño de la proteína. Los estudios han demostrado que la estabilidad de una proteína se incrementa en tal condición, lo que ayudaría a mantener la proteína en estado plegado, nativa. Otra consecuencia de las altas concentraciones es que sería promover la agregación de unión o auto de moléculas similares, así como los aversión que desde una perspectiva de equilibrio no ocurrirían en soluciones diluidas. in vivo. Recientemente investigadores han añadido un copolímero neutro de sacarosa y epiclorhidrina a las células in vitro. Estas partículas inducidos organización de las moléculas extracelulares secretadas por la célula, formando un extracelular “matriz” organizada que indujo la organización de los microfilamentos en el interior de la célula, así como la inducción de cambios en la actividad celular.1 in vitro la actividad enzimática de una enzima clave en la glucólisis aumenta drásticamente en condiciones de hacinamiento.2 Otro resultado de la aglomeración puede ser la asociación espacial y temporal de las enzimas clave en las rutas metabólicas específicas, permitiendo la difusión más fácil de sustratos y los productos de las enzimas colocalized.

Figura: El citoplasma lleno de E. Coli – Ufrom McGuffee SR, Elcock AH (2010) PLoS Comput Biol 6 (3): e1000694. doi: 10.1371/journal.pcbi.1000694 (Diario de código abierto)

E. Coli Crowded Cell

La simulación por computadora utilizó 50 tipos diferentes de las macromoléculas más abundantes del citoplasma de E. coli y 1008 moléculas individuales. Representación del modelo de citoplasma al final de una simulación dinámica. El ácido ribonucleico se muestra en verde y amarillo. Esta figura fue preparada con VMD

Los componentes celulares experimentan transiciones de fase para formar subestructuras dentro de la célula.

Una pregunta desconcertante es cómo se forman las subestructuras dentro de una celda. Esto incluye no solo la biogénesis de orgánulos como las mitocondrias, sino también partículas más pequeñas, como gránulos de polisacárido, gotas de lípidos, partículas de proteína/ácido ribonucleico (incluido el ribosoma), así como el núcleo del núcleo de la célula. Puede ser más fácil considerar este problema utilizando dos ejemplos del mundo de los lípidos, las gotas de lípidos y las balsas de membrana. Usted está muy familiarizado con las transiciones de fase que ocurren cuando se agrega un líquido no polar soluble escaso al agua. A una concentración suficientemente alta, se excede la solubilidad del líquido no polar y se produce una transición de fase, como lo demuestra la aparición de dos fases líquidas separadas. El mismo proceso ocurre cuando los triglicéridos se unen en gotas de lípidos con proteínas asociadas en su exterior. Otro ejemplo ocurre dentro de una membrana celular cuando los lípidos con cadenas alquílicas saturadas se autoasocian con el colesterol de la membrana (que contiene un sistema de anillo plano rígido) para formar una balsa lipídica caracterizada por una mayor eficiencia de empaquetamiento, rigidez y grosor que otras partes de la membrana. Estas balsas lipídicas a menudo reclutan proteínas involucradas en los procesos de señalización dentro de las membranas celulares. Este proceso de separación de fases también se denomina desmezcla líquido/líquido, ya que dos sustancias “similares a un líquido” se separan.

Parece que las proteínas que interactúan con el ácido ribonucleico están compuestas de aminoácidos menos diversos y tienen estructuras más flexibles (“más líquidas”) que permiten su interacción preferencial con el Ácido ribonucleico para formar grandes partículas de proteína del ácido ribonucleico (como el ribosoma y otras estructuras de procesamiento de ácido ribonucleico) de una manera que imita la mezcla líquida/líquida. Todas estas interacciones son solo manifestaciones de las diversas fuerzas intermoleculares que estudiaste en las clases de química anteriores.

Has estudiado la estructura de lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos en las clases introductorias de biología y/o química. Ahora siga los siguientes enlaces que lo llevarán a los capítulos del guia celular que muestran la historia de vida de este tipo de moléculas en la célula. 

Una lista de sitios web y applets sobre la estructura de las células eucariotas:

Referencias:

1.  Zeiger AS, Loe FC, Li R, Raghunath M, Van Vliet KJ (2012) Macromolecular Crowding Directs Extracellular Matrix Organization and Mesenchymal Stem Cell Behavior. PLoS ONE 7(5): e37904. doi:10.1371/journal.pone.0037904 .

2.  Apratim Dhara, Antonios Samiotakisb, Simon Ebbinghausa, Lea Nienhausa, Dirar Homouzb, Martin Gruebelea, and Margaret S. Cheungb.  Structure, function, and folding of phosphoglycerate kinase are strongly perturbed by macromolecular crowding.  Proc. Natl Acad Sci.  www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1006760107

3.  Anthony A. Hyman and Kai Simons.  Beyond Oil and Water–Phase Transitions in Cells. Science 337, 1047 (2012); DOI: 10.1126/science.1223728

4.  McGuffee SR, Elcock AH (2010) Diffusion, Crowding & Protein Stability in a Dynamic Molecular Model of the Bacterial Cytoplasm. PLoS Comput Biol 6(3): e1000694. doi:10.1371/journal.pcbi.1000694

Esta página fue escrita y mantenida por Henry V. Jakubowski, Ph.D., Colegio de Saint Benedict/Saint John’s University. Estos materiales están disponibles para uso educativo.

Este material se basa en el trabajo apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia bajo Grant No. 1043566.

Las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son de los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista de la Fundación Nacional de Ciencia.

© 2020  Dr. Henry Jakubowski

 

 

Dinamika samopromočujućih frontova pokretnih bakterija

Original: http://ronney.usc.edu/research/biophysics/BacterialFronts.html

Alison Kraigsley i Paul D. Ronney

Odjel za svemirsku i mašinsku mašinu

Univerzitet Južna Kalifornija, Los Angeles, CA 90089-1453

 

Steven E. Finkel

Odjeljenje za biološke nauke

Univerzitet Južna Kalifornija, Los Angeles, CA 90089-1340

Sažetak

Iako se mnogo zna o samopromočujućim reakcijskim difuzijskim frontovima koji se javljaju u mnogim kemijski reakcijskim sustavima kao što su plamen, polimerizacijski procesi i neke vodene reakcije, ova velika baza znanja prethodno se nije sustavno primjenjivala na biološke sustave poput širenja pokretnih bakterija. Ciljevi ovog rada su (1) utvrditi da li se takvo znanje može primijeniti na biološke sustave i (2) ako je tako, steći kvantitativnije i prediktivnije razumijevanje bioloških sustava koji pokazuju samopromočujuće fronte. Slijedit će se analogija između širenja pokretnih bakterija i ostalih samopromočujućih fronta s obzirom na dinamička svojstva takvih frontova. Početni eksperimenti s bakterijom E. coli doista pokazuju ponašanje analogno sistemima reakcija-difuzija. Pokušavamo provesti sveobuhvatnu studiju dinamičkih svojstava, uključujući stope širenja, efekte prednje zakrivljenosti, granice gašenja, granice stabilnosti, efekte uzgona, efektivne koeficijente difuzije i vremensku skalu reprodukcije. Te će se informacije upotrijebiti kao ulazi u postojeće analitičke/numeričke modele reakcijsko-difuzijskih fronti i utvrđena valjanost predloženih analogija. Razlike između konvencionalnih reakcijsko-difuzijskih sistema i mikrobioloških sistema takođe će se proceniti. Jedna ključna razlika je da bakterije evoluiraju i reagiraju na stres, faktor koji će se proučavati ponavljanjem navedenog ispitivanja s bakterijama koje su preživjele uvjete gotovo ugasivanja. Ovi podaci će se zatim koristiti za bolje razumijevanje preživljavanja i prilagodbe bakterija u nepovoljnim uvjetima.

UVOD

Reakcijske fronte koje se šire samo u sebi nastaju u mnogim kemijskim i fizičkim sustavima, uključujući plamen, postupke polimerizacije započete slobodnim radikalima i neke vodene reakcije. Sve ove sustave karakteriziraju dvije ključne karakteristike: reaktivni medij (na primjer mješavina goriva i zraka u slučaju plamena) i autokatalizator koji je proizvod reakcije koji također ubrzava reakciju (na primjer toplinska energija u slučaj plamena). Samo-razmnožavanje se događa kada autokatalizator difuzuje u reaktivni medij, pokrećući reakciju i stvarajući više autokatalizatora. To omogućava da se reakciono-difuzijske fronte šire stalnim brzinama daleko od bilo kojeg mjesta iniciranja.

Dva od ključnih karakteristika samoprenosiva reakcija-difuziju frontovima su stopa prostiranja (e) i ograničenje kaljenje. Stopa propagacije je brzina kojom prednjem napredak u reaktivni medij, koji uglavnom ovisi o ukupno vrijeme reakcije skala (τ) i koeficijent difuzije (D) auto katalizatore prema odnosu s ≈ (D/τ)1/2. τ opet ovisi o koncentraciji i aktivnost reaktanata. Granica kaljenje je minimalna ili maksimalna vrijednost nekog parametra (na primjer, minimalno reagensa koncentraciju ili kanal širine) za koje se stalno propagira ispred može postojati. Spojnica koje se javlja između hemijske reakcije i difuznog i konvektivnog transporta u plamenu [[1]], Polimerizacija frontova [[2] ] i vodene reakcije [[3]] dobro shvatio kvantitativno.

Iznenađujuće, analogna linija upit nije primijenjen na mikrobiološke sistema, iako je prvi modeliranje reaktivne-difuzne frontovima, što je dovelo do odnosa s ≈ (D/τ)1/2, je provedena 1937. godine u kontekstu širenja zaraznih bolesti (vidi [[4]]). Svrha našeg istraživanja je da se proceni izvodljivosti tome i iz ovog razviti više kvantitativno razumijevanje takve mikrobiološke sistema. Većina mikrobiološke studije fokusiraju na pojedinačne bakterije i brojanje ponašanje pojedinaca. U ovoj studiji primjenjujemo termodinamičkih zakona i proučavati agregata ponašanje velikog broja pojedinaca. Test slučaj biramo da se fokusiramo na ovoj studiji je vrlo čest i široko studirao Escherichia coli bakterije, a pokretljive bakterije koja (kao i mnogi drugi) pliva pomoću svoje pipke ili flagella u hranjivoj podlozi, dok često mijenja pravac tražiti područja visokog nutrijenata koncentracije. Naime bakterija ima dva načina ponašanja: “run” mod u kojem svoje flagella rotiranje da ga pokrenuti na više ili manje ravnoj liniji, a “sušenje” modu gdje flagella jer je promjenu orijentacije sa malo neto kretanja [[5]]. Rezultirajući kretanje je donekle analogan slučajnog hoda molekula koji dovodi do klasičnog Fickian difuzije (iako mehanizam je potpuno drugačija, jer, za razliku od molekula bakterije prijedlog nije vezan za elastični sudari između bakterija). Također, u povoljnom nutrijenata gradijent, bakterije radi više nego što tumbles, što dovodi do većeg D, dok je u nepovoljnim gradijentima, to tumbles više, što joj je omogućilo da traga za novim pravcima i rezultiralo nižim D; ovo također dovodi do pristran slučajnim hoda da usluge migracije u područjima povećane nutrijenata nivoa.

Ove karakteristike pokretnih bakterija mogu se iskoristiti za modeliranje njihovog ponašanja kao reakcijsko-difuzijske fronte. Brzina (s) širenja od E. coli izmjerili smo (vidi odjeljak Preliminarni rezultati) u agar mediju od 0,3% oko 4,5 mm/h. Vremenska skala (τ) reprodukcije E. coli je oko 20 min. Od brzine širenja s ≈ (D/τ)1/2, D ≈ s2τ, na taj način D ≈ 1.5 x 10-5 cm2/sec.  Ova vrijednost je u skladu s očekivanom vrijednošću koja se temelji na kinetičkoj teoriji molekula koja pokazuje da je D proporcionalna brzini čestice (c) pomnoženo sa srednjim slobodnim putem čestice (λ), tj., u slučaju molekula udaljenost koju se čestice kreću prije sudaranja jedna s drugom ili, u slučaju pokretnih bakterija, mijenjanje smjera. l mogu se procijeniti kao c pomnoženo s vremenom (t) bakterije plivaju bez promjene smjera. Za E. coli, an average swimming speed of 21 µm/s, with 21 changes in direction per 30 seconds has been measured.  This implies  ≈ 1.4 s i l ≈ 3.0 x 10-3 cm and, thus the effective diffusivity D ≈ 6.3 x 10-6 cm2/s, which is of the same order of magnitude as the value of D inferred from D ≈ s2τ. 

Zaključujemo da je razumno okarakterizirati širenje pokretnih bakterija kao fronte s difuzijskom reakcijom. Mnoge mikrobiološke studije mjere reakciju sistema na gradijent temperature ili hranjivih sastojaka koji se nameću sistemu; namjeravamo pokazati da bakterije mogu stvarati vlastite gradijente i na taj način se mogu samostalno razmnožavati. Tablica 1 prikazuje predloženu analogiju između plamena (tipičan reakcijski-difuzijski front) i mikrobioloških sistema.

Plamen ili molekularno svojstvo

Mikrobiološki ekvivalent

Temperatura

Koncentracija bakterija

Gorivo

Hranjive materije

Difuznost topline ≈ cλ

Difuznost bakterija

Difuzivnost goriva

Difuznost hranljivih sastojaka

Brzina zvuka (c)

Brzina plivanja bakterija u “trčati” režimu

Srednja slobodna staza (λ)

c pomnoženo sa prosječnim vremenom za prelazak iz režima rada u režim prevrtanja i natrag

Vremenski raspon reakcija (τ)

Vrijeme reprodukcije

Gubitak topline

Smrt (od pojedinačnih bakterija)

Gašenje

Smrt (svih bakterija)

 

Tabela 1. Predložena analogija između plamena i mikrobioloških fronta

Komplicirajući faktor plamena, kao i pokretne bakterije, je da se efektivni koeficijent difuzije mijenja s koncentracijom proizvoda. U slučaju plamena proizvodnja proizvoda vodi do veće temperature koja povećava D u gotovo svim slučajevima. U slučaju pokretnih bakterija dobro je poznato da bakterije troše manje vremena u režimu “trčanja”, a više u režimu “prevrtanja” kada je koncentracija hranjivih sastojaka visoka (zašto se osvrnuti okolo kada je trava već zelena?) znači da će srednja vrijednost slobodnog puta l biti niža i samim tim će efektivna difuzivnost biti manja kada je koncentracija hranjivih sastojaka visoka. U slučaju razmnožavajućeg fronta, nekoliko bakterija na prednjem rubu fronta vide visoku koncentraciju hranjivih sastojaka i stoga imaju nisku D. Veće koncentracije bakterija (“produkt” reakcije) na prednjem rubu fronte će postojati u medijum s nižom koncentracijom hranjivih sastojaka i na taj način će se „manje“ odvijati i manje „propadati“, povećavajući l i tako će se D povećavati. Stoga je analogija sa plamenom razumno široka.

Preliminarni rezultati

Gornja rasprava ohrabrila nas je da provedemo preliminarne eksperimente kako bismo testirali održivost naših prijedloga. Ovi su eksperimenti provedeni na 37°C u standardnim petrijevim pločama koristeći hranjivu podlogu na bazi vode koja se sastoji od (osim ako nije drugačije naznačeno) 1% NaCl, 1% triptona, 0,5% kvasca i 0,1% agara. Agar povećava viskoznost medija i u suštini sprečava svako veliko kretanje. Medij je inokuliran bakterijama u točki (obično u središtu posude) i rezultirajući napredak (ako postoji) prednjeg dijela bakterija vidljiv je. Ispitano je nekoliko sojeva E. coli. Nakon početnog prolaznog stanja, svi su pokazali linearno povećanje prednjeg radijusa sa vremenom. Primjer je prikazan na slici 1.

Slika 1 pokazuje da je prednji napredak sporije u početku kada je ispred radijus je mala i prednje zakrivljenosti. Svi ostali testovi su pokazali taj isti trend. Ovo ponašanje se posmatra u hemijskim frontovima u kojem je autokatalitičkog proizvod ima manju difuzivnost nego reaktanata (npr., u slučaju plamena, visoku termalnu difuzivnost i nizak difuzivnost goriva), a razlozi su dobro razumio [[6]]. Dok je difuzivnost u  Tryptone  nutrijentima je nepoznat, po analogiji sa sličnim molekulama vrijednosti od 10-7 cm2/s može se procijeniti, što je manje nego što su difuzivnost E. coli prema procjeni gore. Shodno tome, ponašanje je prikazano na slici. 1 je u skladu s modelom reakcija-difuziju prostiranje. Osim toga, teorija plamen pokazuje da ako je previše razlikuje od vrijednosti 1, više ili smanjiti odnos proizvoda reaktanta diffusivities, razne vrste ispred nestabilnosti može dovesti. Formiranje obrazac u mikrobiološkim sistemima je dobro poznata [[7]], ali teorija reakcija-difuziju se ne koristi za kvantifikaciju i predvidjeti takve obrasce. Mi ćemo istražiti takve nestabilnosti variranjem medij difuzivnost kroz agar koncentracije. Osim toga, mi sumnjamo da je ovaj izbor vremena run-sušenje od E. coli nije slučajno jer utiče D; ako je D je prenizak ili previsok, nestabilnosti rezultat koji može biti nepovoljna za opstanak. Mi ćemo nastaviti ovaj pojam ispitivanjem efekta agara koncentracije o vremenu brzine i trčanje-pad bakterija pod mikroskopom i utvrditi da li je bakterija prilagođava (ili u hodu, ili evolucijski procesi) njegova brzina i run-sušenje vremena promijeniti svoje efikasne D održavanje stabilnog frontova.

Untitled.jpg

Slika 1. Primjeri eksperimentalnih podataka o prednjim radijusima bakterija kao funkcija vremena.

Untitled.jpg

Slika 2. Izmjereni učinak dubine agara i otopine na stalne brzine razmnožavanja bakterijskih fronti.

Učinak koncentracije agara i dubine hranjivog medija na stalne vrijednosti brzine razmnožavanja s prikazan je na slici 2. Pri 0,5% ili većoj koncentraciji agara (nije prikazano) medij je u osnovi bio čvrst i bakterije su se širile samo na površini medija, a ne u rasutom stanju. Difuzijsko ponašanje bakterija u ovom slučaju nije vjerovatno jer ne mogu plivati. Pri 0,4% i nižoj koncentraciji agara, bakterije se šire putem medijuma. Primjećene su najveće stope razmnožavanja pri najnižim koncentracijama agara (a vreme i najniža viskoznost medija). To se očekuje budući da pri nižoj viskoznosti bakterija može plivati brže i stoga bi trebala imati viši efektivni D, što dovodi do većeg s (obzirom da je s proporcionalan D1/2 kao što je gore spomenuto).

Otkriveno je da dubina rastvora gotovo da i nema uticaja na s. Uzimanjem poprečnih presjeka medija nakon djelomičnog širenja fronte, utvrđeno je da su frontovi uglavnom u vertikalnoj dimenziji jednolični. Stoga protok plovnosti ne utječe na ove prednje strane, u protivnom se može očekivati ​​utjecaj dubine otopine na s, ili nejednakosti u okomitom smjeru. Budući da su ispitivanja provedena u zraku, ova opažanja također pokazuju da difuzija kisika u medij nije značajna, jer bi u suprotnom rast blizu površine hranjive otopine bio različit od onog ispod površine. Ovaj posljednji rezultat pokazuje da bakterije rastu anaerobno.

Kako bi se utvrdilo postoje li granice “gašenja” na bakterijskim frontovima, proveden je eksperiment u kojem su bakterijske fronte pokušale razmnožavati kroz uske i široke kanale sa zidovima antibiotika. Budući da antibiotici uklanjaju autokatalitički proizvod (bakterije), efekat zidova analogan je gubicima topline hladnim zidovima u plamenu. Za prednje širenje u uskim kanalima dobro je poznato da granica gašenja dolazi zbog gubitaka topline na stijenkama kanala kada je Peclet broj Pe = sw/D, gdje je w širina kanala, a D difuzivnost, manja od a kritična vrijednost. Dakle, uz prisustvo gubitaka topline, fronte se mogu širiti širokim kanalima (visoki Pe), ali ne uskim kanalima (nizak Pe). Slika 3 pokazuje da se fronte mogu širiti širokim kanalom, ali ne i uskim kanalom, što ukazuje na granicu gašenja. U ovom radu će se testirati primjenjivost odnosa kaljenja Pe = sW/D = konstanta na granici.

Ispitan je i učinak koncentracije hranljivih sastojaka triptona; utvrđeno je da se na polovici nominalne vrijednosti neće dogoditi širenje, dok je s gotovo nepromijenjen udvostručenjem koncentracije triptona s njegove nominalne vrijednosti. Ovo može ukazivati na granicu gašenja, čak i ako nema antibiotskih zidova. Analogno ponašanje se događa u plamenu zbog radijativnih gubitaka topline kada je koncentracija goriva preniska. Istražit ćemo ovu granicu bez zida i pokušati utvrditi mehanizam gubitaka koji je odgovoran za suzbijanje širenja fronta na niskim razinama hranjivih sastojaka.

Titriranje medija za dobivanje broja bakterija dosljedno je pokazalo značajan vrhunac koncentracije bakterija na vodećem pročelju, praćen velikim padom ispred i, kasnije, drugi vrh daleko iza prvog. To je u skladu sa slikama prikazanim na slici 3. U budućem radu koristit ćemo se analizom titriranja kako bismo utvrdili da li je debljina fronte ≈ D/s kako je teorijski predvidjelo. Na osnovu vizualnog pregleda s slike 3, debljina prednje strane je oko 1 mm, što je blizu predviđanja D/s = (1.5 x 10-3 mm2/sec)/(4.5 mm/hr) = 1.2 mm.  Rezultati s divljim sojem bakterija pokazali su nešto brži početni prolazni i kraći put i udaljenost da bi se postigla stalna stopa razmnožavanja u odnosu na genetski obilježene sojeve.

E.coli.narrow&wide.channel.jpg

Slika 3. Fotografije fronti pokretne bakterije E. coli koja se razmnožava uskim (6 mm, lijevo) i širokim (35 mm, desno) kanalima sa bočnim zidovima antibiotika Kanamycin (100 mikrolitara Kanamycina po strani), snimljenim 6,5 sati nakon inokulacije. Oba slučaja: 2086 divlji soj E. coli, 0,1% agar, standardni hranjivi medij.

Aktuelni istraživački program

Na temelju očiglednog uspjeha reakcijsko-difuzijskog modela u opisivanju ovih preliminarnih eksperimentalnih rezultata, mi slijedimo sljedeći istraživački program:

  1. Odredite stope razmnožavanje E. coli frontova u funkciji nutrijenata koncentracije, srednje motilitet (kroz mijenja agar koncentracija), temperatura, koncentracija ambijentalne kisika (aerobik vs. anaerobni okoliš), a debljina sloja hranljive podloge. Ovi testovi će biti izvedena na isti način kao i preliminarni eksperimenti gore opisano. Osim toga, da se poboljša vizualizaciju frontova, koristit ćemo E. coli specifične fluorescentnih boja iz Molecular Sonde, Inc (Eugene, OR). poboljšati vizualizaciju frontova. Ultraljubičasti izvor svjetlosti (kupuje) ili Ar-ion laser će se koristiti za pobuđuju fluorescentnih boja.
  2. Odrediti D zasnovan na relaciji D ≈ s2τ i usporedite s tim očekuje na osnovu relacija D = c2τ, gdje je c mjeriti (pomoću video mikroskopija) brzina (c) i znaci vremena za promenu pravca. Standard video je adekvatan od vremena skali run-sušenje je obično 1 sekunde, a stopa video kadriranje je 30 u sekundi.
  3. Odredite granice kaljenje i ograničenje Péclet brojevi dozvoljavajući fronta s propagandom kroz kanale različite širine (w) koji imaju  antibiotske zidove (Kanamicin ili slično) i utvrditi da li Pe je konstantna na granici, odnosno, je stopa prostiranja (s) na ograničenje proporcionalna 1/w?
  4. Odredite granice kaljenje u nedostatku zidova (smanjivanjem nutrijentima koncentracije, za različite agar koncentracije) i utvrditi mehanizam gubitka (tj. Mehanizam smrti ćelija) odgovoran za to ograničenje.
  5. Odredite granice stabilnosti kao funkcija odnosa proizvoda (bakterija) u reagensa (nutrijenata) difuzivnost variranjem agar koncentracije u hranljive podloge i koncentraciju hranljivih materija. Fluorescentnih bojila će olakšati snimanje neuniformna frontovima i formiranje obrasca.
  6. Utvrdite da li postoji plovnost uticaj na prostiranje. Od E. coli bakterije imaju gustoću malo drugačiji od vode, na niske viskoznosti će doći do efekta uzgona. Većina istražitelji koriste visoke viskoznosti agara za sprečavanje fluida, ali mnogi pravi E. coli sredinama imaju vodu poput viskoznosti. Efekti plovnost će biti saslušani testiranjem prostiranje u medijima bez agara u vertikalnom paralelno ploča aparata (koji se naziva “Hele-Shaw” ćelije u mehanici fluida literaturi) i da će se pridržavati prednji obrazac i razmnožavanje stopa.
  7. Model ove rezultate uz pomoć naših postojećih analitičkih/numeričkih modela reakcija-difuzije frontovima.

Naravno, postoje i neke razlike između konvencionalnih reakcijsko-difuzijskih sistema i mikrobioloških sistema. Jedna ključna razlika je da bakterije evoluiraju i reagiraju na stres, faktor koji će se proučavati ponavljanjem navedenog ispitivanja s „iskusnim“ bakterijama koje su preživjele uvjete gotovo ugasivanja. Druga razlika, kao što je diskutirano gore, su pristrana difuzijska svojstva. Ova pristranost može se modelirati korištenjem nelinearne difuzione veze da zamijeni Fikov zakon.

PRAKTIČNA VAŽNOST

Ovaj rad je istraživanje dinamike nove klase razmnožavanja fronta koje uključuju pokretne bakterije. Studija dinamike fronta ima brojne primjene kao što je gore raspravljano. Ove su studije, međutim, od posebnog interesa za mikrobiologe jer se odnose na mehanizme dugoročnog preživljavanja i evolucije koje koriste bakterije. Jedan od glavnih faktora koji utječu na brzinu evolucijske promjene u tim bakterijskim sustavima jesu nivoi stresa u okolišu, kao i prijelaz iz jednog okruženja u drugo. Sustavi kulture koje razvijamo predstavljaju nova okruženja u kojima ta pitanja evolucije i preživljavanja nisu riješena. Ovaj rad daje prvi pokušaj, prema našim saznanjima, biofizički okarakterizirati ove efekte.

Posebno je zanimljivo proučavanje uzgoja E. coli u anaerobnim uslovima. Kad E. coli (i sve druge enteričke bakterije) rastu u vezi s ljudskim probavnim traktom, one rastu u anaerobnim uvjetima. Želimo početi proučavati reakcije bakterijskog stresa u nedostatku kisika kako bismo dodatno proširili naše opće razumijevanje kako se ova bakterija prilagođava životu u širokim raznim nišama u okolišu. Na primjer, trenutno nije poznato djeluju li mehanizmi popravljanja i mutacije oštećenja DNK koje je prof. Finkel proučavao (i za koje se pokazalo da su važni za prilagodbu na nova okruženja) u anaerobnim uvjetima. Ove će studije premostiti jaz od osnovnih istraživanja u medicinski relevantnijim područjima.

Reference

[1].  Williams, F. A., Combustion Theory, 2nd Ed., Benjamin-Cummins, 1985.

[2].  Pojman, J. A., Hyashenko, V. M., Khan, A. M., “Free-radical frontal polymerization: self-propagating reaction waves.”  J. Chem. Soc., Faraday Trans. 92, 2825 (1996).

[3].  Epstein, I. R. Pojman, J. A. An introduction to nonlinear chemical dynamics, Oxford, 1998.

[4].  Winfree, A.T., The Geometry of Biological Time, Springer-Verlag, 1990; Murray, J.D., Mathematical Biology, Springer-Verlag, 1993.

[5].  Berg, H. C., “Motile Behavior of Bacteria” Phys. Today 53, 24 (2000).

[6].  Lewis, B., von Elbe, G., Combustion, Flames, and Explosions of Gases, 3rd ed., Academic Press, 1987.

[7].  Budrene E.O., Berg H. C., “Complex patterns formed by motile cells of E. coli,” Nature 349, 630 (1991).

 

Šta možemo naučiti iz modela miševa autizma

Source: https://people.csail.mit.edu/seneff/mouse_models_autism.html

Stephanie Seneff

[email protected] 
1. februara 2018

1. Uvod

Autizam je složeni neurorazvojni poremećaj čija incidencija dramatično raste u poslednje dve decenije, u koraku sa dramatičnim porastom upotrebe glifosata (aktivnog sastojka u presečnom herbicidnom pregledu) na osnovnim hranljivim kulturama [1, 2]. Dok korelacija ne znači nužno uzročno uzročno, postoji više mehanizama pomoću kojih bi disfunkcija glifosata u ljudskoj biologiji i biologija mikrobijuma biće mogla izazvati mnoge opažene simptome i biološke metrike povezane sa autizmom [3, 4].

Neverovatno, miševi mogu sticati sindrom koji izgleda mnogo poput humanog autizma, a istraživači su mogli da kreiraju višestruke rase “dizajnerskih miševa” koji pokazuju socijalno-komunikativne deficite poput autizma. Ovi sojovi miša su se pokazali veoma korisnim što nam pomažu da razumemo patologiju humanog autizma, iako mapiranje nije savršeno. Jedan takav strah je prirodni inbredni soj poznat kao BTBR T+tf/J miševi (BTBR za kratke) [5, 6]. Još jedan model miša nastao je izlaganjem mozga brane miša toksičnoj hemikaliji koja emulira virusnu infekciju tokom trudnoće, što je rezultiralo izrazom ponašanja kod mnogih mladunaca [7, 8, 17]. U onome što je možda najočudniji eksperiment zbog njegove specifičnosti, istraživači su uspeli da stvore autizam kod miševa jednostavno eliminišući sposobnost mozga da proizvede važan biološki molekat nazvan heparan sulfat, inaktivacijom, samo u mozgu, gen koji kodira specifični enzim koji je neophodan za njegovu sintezu [9]. Ova manipulacija je izvršena pri rođenju. Autori su pisali u članku: “Neverovatno, ovi mutirani miševi rekapitulišu skoro čitav niz autističnih simptoma, uključujući oštećenja u društvenoj interakciji, izražavanje stereotipnih, ponavljajućih ponašanja i oštećenja u ultrazvučnoj vokalizaciji.” Mnoge jedinstvene karakteristike koje se pojavljuju u ovim modelima miša, posebno u pogledu prekida mikrobova na crevima, imaju paralele među decom autizma.

Glifosat se obimno koristi u poljoprivredi, kako na genetski inženjeriranim Roundup-Ready usjevima, tako iu drugim jezgrima, kao što su pšenica i šećerna trska, kao sušnik neposredno pre žetve. Naša prehrambena ponuda je visoko kontaminirana glifosatom, a toliko dece u Americi su svakodnevno izložene ovoj toksičnoj hemikaliji. Najnoviji broj iz Centara za kontrolu bolesti na stopama autizma u Sjedinjenim Američkim Državama je jedan od 36 dece od 2017. godine, što je više od bilo koje prethodne godine.

2. Heparan sulfat i moždani ventrikuli

Činjenica da manipulacija koja je toliko specifična za heparan sulfat u mozgu dovoljna je za izazivanje autizma kod miševa ukazuje na to da nedostatak mozga u heparan sulfatu može biti ključna centralna patologija kod humanog autizma. Zaista, mnoge genetske mutacije povezane sa autizmom uključuju enzime povezane sa sintezom tzv. Ekstracelularne matrice [10]. Ovo je nečelijska komponenta tkiva i organa, koja ne samo da pruža fizičku skalu, već i inicira i orkestrira mnoge biomehaničke i biohemijske karakteristike koje regulišu ćelijske fiziološke reakcije na stimulante životne sredine [11]. Brojne mutacije povezane sa ljudskim autizmom se javljaju u skupu gena koje se nazivaju “glikogen”, koji kodiraju proteine ​​i lipide koji su vezani za heparan sulfat u matriksu, formirajući “heparan sulfate proteoglycans” (HSPG) ili enzime uključeni u “glikozilaciju” – vezivanje heparan sulfata i sličnih kompleksnih molekula šećerskog lanca ovim proteinama i lipidima [10].

Komore mozga su mreža šupljina u sredini mozga koja su ispunjena cerebrospinalnom tečnom materijom. Heparan sulfat (HS) je vidljiv u komorama, koji se nalazi unutar struktura pod nazivom “fractones”, čineći nišu matičnih ćelija koja inicira neurogenezu [12]. Pod vodstvom HSPG-a unutar ovih specijalnih zona ekstracelularnih matrica, matične ćelije proliferišu i diferenciraju u specijalizovane ćelije i migriraju se u mozak kako bi zamenili oštećene neurone. Studije o miševima pokazale su da poremećaj enzima koji je od suštinskog značaja za sintezu HS u ranim razvojnim stadijumima embriona miša rezultira ozbiljnim poremećajima u razvoju mozga [13].

Ranije sam pomenuo inbred BTBR genotipove miševa koji su obimno proučavani zbog njihovog autističkog profila [5, 6, 14]. Kao i miševi sa poremećenom sintezom HS u mozgu, ove BTBR miševe takođe pokazuju nedostatak HS u mozgu [14]. Morfološki razvoj mozga izgleda normalno, s velikim izuzetkom da nedostaje korpusni kalozum, debeo nervni vlakni koji povezuju levu i desnu stranu mozga i formiraju krov nad komorama. Sastoji se od dobro zapakovanih tragova bele materije, sastoji se od velikih aksona zatvorenih u velikim količinama mijelinskog plašta. Otkrivena je i autistična djeca koja imaju abnormalnu bijelu materiju u mijelinskom plaštu u mozgu, koja je također iscrpljena u sadržaju vode [15]. Izvanredno, neki ljudi su rođeni bez korpusnog kalozuma ili sa onim koji je smanjen u veličini, a neki od njih mogu dobro funkcionirati u društvu. Međutim, studija je pokazala da gotovo polovina dece sa ovim defektom ima osobine autizma [16].

3. BTBR miševi: problemi sa crevima

Semenalna studija o ovim BTBR miševinama otkrila je specifične poremećaje u crevima koje su pretpostavljene da dovode do neuroloških efekata kroz interakcije duž osetljivosti na moždane moždine [18]. Najočigledniji poremećaj poremećaja bio je poremećaj u sintezi žučnih kiselina u jetri i njihove dalje modifikacije bubrežnim bakterijama. Obično jetra sintetiše žučne kiseline iz holesterola i konjugovira ih sa taurinom ili glicinom pre nego što ih otpremi do creva ili ih uvlači u žučnu kese. Odgovornost je specifičnih vrsta gut bakterija, uglavnom Bifidobacteria, da dekonjuguju konjugovane žučne kiseline, oslobađajući taurin ili molekul glicina za dalje metabolizam. Ovo je neophodan korak pre nego što žučne kiseline mogu dalje modificirati druge bakterije čvrstoće, naročito vrsta Blautia, u sekundarne žučne kiseline. Dakle, postoji mnogo različitih varijanti žučnih kiselina, a različite forme imaju različite signalne efekte koji utiču na peristalizu i integritet creva.

Utvrđeno je da su ovi BTBR miševi imali nedostatak u sintezi žučnih kiselina u jetri, kao i dodatni nedostatak u njihovoj dekonjugaciji i njihovu konverziju u sekundarne žučne kiseline mikrobioto. Ovo je bilo u skladu sa posmatranim značajnim smanjenjem populacije Bifidobacteria i Blautia.

4. Da li je glifosat izazvao autizam kod BTBR miševa?

Lako je tvrditi da ove abnormalnosti mogu biti delimično zbog izloženosti glifosatu. Ovi miševi su potomstvo višestrukih generacija inbred laboratorijskih miševa koji su gotovo sigurno bili hranjeni stabilnom ishranom glifosata u mišićnoj hrani proizvedeni iz genetski modifikovanog krupnog krupnog kukuruza i sojinih kultura. Smanjeno snabdevanje žučnih kiselina u svakoj generaciji i direktna toksičnost glifosata određenim vrstama bakterija bi vremenom promenila mikrobiološku distribuciju. Stoga, mikrobe koje su prenošene iz generacije u generaciju mogle su da održe patološku distribuciju pod uticajem glifosata koji deluje kao antibiotik i enzimski poremećaj [19].

Sinteza žučne kiseline ključno zavisi od enzima citokroma P450 (CYP) u jetri. Pokazano je da glifosat ozbiljno smanjuje ekspresiju CYP enzima u jetri pacova [19, 20]. Studija o mikrobioti peradi pokazala je da su bifidobakterije posebno osjetljive na glifosat, u poređenju sa svim drugim ispitivanim vrstama [21]. Logično je da bifidobakterija pati od ekspozicije glifosata zbog njihove uloge u dekonjugujućim žučnim kiselinama, jer se od glifosata može očekivati ​​da zameni glicin tokom koraka konjugacije, zbog činjenice da je to aminokiselinski analog glicina [22, 23 ]. Bifidobakterije bi imale zadatak da dekonjuguju glifosat iz žučnih kiselina, a zatim bi bili direktno izloženi oslobođenom molekulu glifosata.

BTBR miševi su takođe pokazali oštećenu sintezu serotonina što je rezultiralo usporenim peristalizmom i problemima zaprtja i prekomernog rasta bakterija sniženog creva (SIBO). Ovo se lako objašnjava i glifosatom, jer sjajno poremeti sintezu aromatičnih aminokiselina kroz šikimatski put [19]. Mikrobi creva proizvode ove esencijalne aminokiseline kako bi ih snabdeli domaćinom, a jedan od njih, triptofan, je prethodnik serotoninu. Pored toga, miševi BTBR-a su smanjili nivo acetata u crevima, mastnoj kiselini sa kratkim lancem, koji se normalno proizvodi mikroorganizmima, naročito Bifidobacteria [24], tokom varenja masti, i važno gorivo koje se hrani u ciklusu Krebs radi proizvodnje energije. Nedostatak acetata u crevima takođe se vidi kod ljudskog autizma, a to je povezano sa deficijencijom kod Bifidobacteria [25].

5. Studije o miševima izloženim glifosatu

Izlaganje muških miševa na herbicidima zasnovanim na glifosatima tokom perioda maloljetnika i odraslih dovelo je do značajnog smanjenja nivoa serotonina u nekoliko jezgara u mozgu [26]. Ovo je povezano sa gubitkom težine, smanjenom lokomotornom aktivnošću i povećanjem anksioznosti i depresije. Serotonin, bez obzira da li se proizvodi u mozgu ili crevima, sahrani se u tranzitu, a melatonin, koji je izveden iz serotonina, takođe se sulfatira. U jednom članku objavljenom u 2015. godini raspravljali smo da glifosat može sarađivati ​​sa aluminijumom kako bi indukovao i dysbiosis i poremećaj funkcije pinealnih žlezda u mozgu [2]. Pinealna žlezda proizvodi sulphated melatonin i distribuira je u cerebrospinalnu tečnost ventrikula tokom sna. Predložili smo da je važna uloga melatonina da isporuči sulfat neuronima kako bi povećao snabdijevanje sulfata u HSPG-u. Heparan sulfat igra značajnu ulogu u čišćenju ćelijskih ostataka, što je važan aspekt spavanja. Poremećaj sna je uobičajena karakteristika autizma [27]. Dakle, ovo se približava zatvaranju praznine između nedostatka heparan sulfata koji je primećen u mozgovima BTBR miševa i njihovih gastrointestinalnih poremećaja.

6. Taurin: čudotvorna molekula?

Čak i pre nego što sam upoznao reč glifosat, objavio sam članak, zajedno sa drugim kolegama pod naslovom “Da li je encefalopatija mehanizam za obnavljanje sulfata u autizmu?” [28]. U ovom radu smo razmatrali ključnu ulogu heparan sulfata u mozgu i potencijalnu vezu sa autizmom. Predložili smo da taurin igra centralnu ulogu u obnavljanju sulphate snabdevanja u mozgu pod stresnim uslovima. Zanimljivo, ljudske ćelije nisu u mogućnosti da metaboliziraju taurin, ali dijetalni taurin može se pretvoriti u sulfat mikrobima. Mozak, srce i jetra čuvaju velike količine taurina, a taj taurin se pušta u promet tokom encefalopatije (otoka mozga) ili tokom srčanog udara. Taj taurin zatim preuzima jetra i konjugovana žučnim kiselinama. Taurin, primljen od mikroba za dekonjugujuće crevo, može onda biti oksidovan u sulfat, kako bi povećao potrošnju u krvi. Pretpostavljam, iako je u ovom trenutku samo spekulacija da žučne kiseline služe ključnu ulogu u olakšavanju reakcije koja oslobađa sulfonatnu grupu od taurina, možda i sidrenjem molekula taurina u bakterijskoj membrani. Daljnja oksidacija sulfitoksidazom daje sulfat. Štetni efekti glifosata na bifidobakteriju bi ometali proizvodnju sulfata iz taurina mikrobima, zbog oštećenja sposobnosti otklanjanja taurina iz žučnih kiselina.

7. Clostridia nadrast i autizm koji izaziva vakcinu

Veoma različit model miša autizma podrazumijeva izlaganje trudne brane miša česticama poput virusa tokom gestacije. Dve publikacije koje opisuju jedan takav eksperiment stekle su značajnu pažnju medija, naročito zato što su pokazale vezu između određenog profila kolonizacije creva mikrobne brane i podložnosti autizmu kod mladunaca [7, 8]. Lutke nisu samo pokazale klasično autistično ponašanje, već su imale i “zakrpe neorganizovane kortikalne cytoarhitekture” u određenom regionu u somatosenzornom korteksu svojih mozgova, što je poremetilo razvoj mozga arhitektonski.

Autori su primetili da je autistični profil nastao samo ako je brana imala previše predstavljanje specifičnog filamentnog soda Clostridia u crevima, što je dovelo do izražaja imunološkog odgovora tipa “Th17” od imunološkog sistema brane. Komunikacija između creva i mozga dovela je, naročito, na signalnu kaskadu koja je imala direktan uticaj na fetuse u razvoju. Čestice slične virusu, nazvane “poliinosin: polycytidylic acid” (poli(I:C)), ubačene su u mozak brane na embrionalni dan 12.5. Ove čestice nisu životni oblik, ali prevaravaju imunološki sistem mozga verujući da je došlo do virusne invazije u mozgu, a to je sam imuni odgovor, a ne virusna infekcija, koja izaziva prekomerni odgovor koji negativno utiče na razvoj mozga u potomstvu. I još je iznenađujuće što se defekti razvijaju u mladićima samo ako postoji određena distribucija mikrobova čvrstoće koja favorizuje filamentnu vrstu Clostridia.

Ranija studija koja koristi ovaj isti model miša za ubrizgavanje trudne brane sa poli (I:C) povezuje rast klostridije sa oslobađanjem određenih specifičnih toksina, i izuzetno povezuje ove toksine direktno sa autizmom [17]. Nekoliko vrsta Clostridia proizvodi toksične fenolne metabolite kao što su 4-ethylphenyl sulfate (4EPS) i p-cresol sulfate. Potom izloženih mišića brane pokazivalo je udesno povećanje nivoa seruma u 4EPS od 45 puta, kao i povećane nivoe p-krezol sulfata. Ovo je bilo povezano sa povišenim nivoima zapaljenskih faktora u krvi majke, placente i aminijsku tečnost. Pre svega, trosjedni tretman mladih zdravih miševa sa 4EPS kalijum salama bio je dovoljan da indukuje simptome autizma kod ovih miševa. Štaviše, probiotični tretman sa vrstom Bacteroides fragilis poboljšava autistične simptome u potomstvu poli(I:C) izloženih brana.

Ovi semenski eksperimenti podrazumevaju da bi preplavljenost vrste Clostridia u crevima potencijalno mogla prouzrokovati sličan odgovor kod trudnice koja primi vakcinu protiv gripa. Studija o živini koja je ranije spomenuta pokazala je izrazit nedostatak osjetljivosti na glifosat između različitih vrsta Clostridia. Glifosat takođe indukuje propuštenu barijeru čestica, verovatno dijelom zbog poremećaja homeostaze žučne kiseline, kao što je primećeno u studiji na miševima BTBR [18], ali i kroz indukciju sinonize zonulina u enterocitima srednjeg dela, direktno aktiviranjem otvaranje pregrade [29]. Propuštena barijera dovodi do propuštene moždane barijere, i to bi omogućilo česticama virusa gripa da pristupe majčinom mozgu, izazivaju zapaljen odgovor i rezultirajuće signalizirajuće kaskade koje utiču na razvoj fetusa. Poremećaj u mozak mladića se desio u somatosenzornom korteksu. Intrigantno, razvoj nervnih vlakana u korpusnom kalozu koji povezuje somatosenzorski korteks između dve hemisfere zavisi od aktivnosti neurona unutar somatosensornog korteksa, koji se mogu suprimisati od strane određenih toksina kao što je tetanus toksin [30].

8. Ljudske studije su u skladu sa studijama o miševima

Nedavna studija William Shaw-a uključivala je skup trojka, dva dečaka i djevojku [31]. Oba dječaka su dijagnostikovana sa autizmom i devojčica je imala poremećaj napada. Otkriveno je da sva tri djeca imaju visok nivo glifosata u urinu. Takođe su imali prekomerno zastupljenost vrsta Clostridia u crevima, za koje je predloženo da doprinesu procesu bolesti kroz njihovo otpuštanje toksičnih fenolnih metabolita. Druga studija iz 2017. godine na mikrobiom creva dece sa autizmom sa inflamatornom bolesti creva u poređenju sa normalnim kontrolama pokazala je smanjene vrste Blautia (oštećene metabolizme žučne kiseline) i povećanje kod nekoliko vrsta Clostridia koje su povezane sa smanjenim nivoima triptofana i poremećenim homoestazama serotonina zajedno sa prekomerna ekspresija Th17, sve u skladu sa raznim studijama modela miša [32].

9. Zaključak

Ukratko, poremećeni mikrobiom creva (koji može izazvati glifosat) dovodi do propuštene barijere creva, propuštene moždane barijere i propuštene plasteničke barijere. Ovo omogućava toksičnim supstancama kao što su aluminijum, fenolna jedinjenja i glifosat, kao i žive viruse i endotoksine iz vakcina, da napadnu mozak, a, kršenjem placentalne barijere, izlože fetus na štetu. Prevelikim imunološkom reakcijom na ove uvrede ometa razvoj neurona i uzrokuje autisticno ponašanje kod mladunčadi i kod djece čije su majke slično izložene.

BTBR miševi postali su autistični nakon mnogih generacija inbreedinga tokom izlaganja glifosatu u laboratoriji. Bilo bi vrlo interesantno otkriti šta bi se dogodilo ako bi grupa BTBR miša bila obezbeđena hranljivom organskom ishranom i čistom vodom i omogućila reprodukciju kroz više generacija uz ovu zdravo ishranu. Da li potomci na kraju izgubiti dijagnozu autizma? Ako bi to učinili, to će nam mnogo reći o značaju organske ishrane za ljudsko zdravlje i u velikoj mjeri bi ojačalo ideju da je glifosat uzročni faktor kod autizma.

Reference

[1] Swanson N, Leu A, Abrahamson J, Wallet B. Genetically engineered crops, glyphosate and the deterioration of health in the United States of America. Journal of Organic Systems 2014; 9: 6–37. 
[2] Seneff S, Swanson N, Li C. Aluminum and Glyphosate Can Synergistically Induce Pineal Gland Pathology: Connection to Gut Dysbiosis and Neurological Disease. Agricultural Sciences 2015; 6: 42–70. 
[3] Beecham JE, Seneff S. Is there a link between autism and glyphosate–formulated herbicides? Journal of Autism 2016; 3:1. 
[4] Beecham JE, Seneff S. The Possible Link between Autism and Glyphosate Acting as Glycine Mimetic – A Review of Evidence from the Literature with Analysis. J Mol Genet Med 2015; 9:4 
[5] McFarlane HG, Kusek GK, Yang M, Phoenix JL, Bolivar VJ, Crawley JN. Autism–like behavioral phenotypes in BTBR T+tf/J mice. Genes Brain Behav. 2008;7(2):152–63. Epub 2007 Jun 7. 
[6] Scattoni ML, Ricceri L, Crawley JN. Unusual repertoire of vocalizations in adult BTBR T+tf/J mice during three types of social encounters. Genes Brain Behav 2011; 10:44–56. 
[7] Kim S, Kim H, Yim YS, Ha S, Atarashi K, Tan TG, Longman RS, Honda K, Littman DR,, Choi GB, Huh JR. Maternal gut bacteria promote neurodevelopmental abnormalities in mouse offspring. Nature 2017;549: 528–532. 
[8] Yim YS, Park A, Berrios J, Lafourcade M, Pascual LM, Soares N, Kim JY, Kim S, Kim H, WSaisman A, Littman DR, Wickersham IR, Harnett MT, Huh JR, Choi GB. Reversing behavioural abnormalities in mice exposed to maternal inflammation. Nature 2017;549: 482–487. 
[9] Irie F, Badie–Mahdavi H, Yamaguchi Y. Autism–like socio–communicative deficits and stereotypies in mice lacking heparan sulfate. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Mar 27; 109(13): 5052–5056. 
[10] Dwyer CA, Esko JD. Glycan susceptibility factors in autism spectrum disorders. Mol Aspects Med. 2016;51:104–14. 
[11] Frantz C, Stewart KM, Weaver VM The extracellular matrix at a glance. J Cell Sci 2010 123: 4195–4200. 
[12] Mercier F. Fractones: extracellular matrix niche controlling stem cell fate and growth factor activity in the brain in health and disease. Cell. Mol. Life Sci. 2016; 73:4661–4674. 
[13] Inatani M, Irie F, Plump AS, Tessier–Lavigne M, Yamaguchi Y. Mammalian brain morphogenesis and midline axon guidance require heparan sulfate. Science. 2003;302(5647):1044–6. 
[14] Mercier F1 Kwon YC, Douet V. Hippocampus/amygdala alterations, loss of heparan sulfates, fractones and ventricle wall reduction in adult BTBR T+ tf/J mice, animal model for autism. Neurosci Lett. 2012;506(2):208–13. 
[15] Deoni SC, Zinkstok JR, Daly E, Ecker C; MRC AIMS Consortium, Williams SC, Murphy DG. White–matter relaxation time and myelin water fraction differences in young adults with autism. Psychol Med. 2015 Mar;45(4):795–805. 
[16] Lau YC, Hinkley LB, Bukshpun P, Strominger ZA, Wakahiro ML, Baron–Cohen S, Allison C, Auyeung B, Jeremy RJ, Nagarajan SS, Sherr EH, Marco EJ. Autism traits in individuals with agenesis of the corpus callosum. J Autism Dev Disord. 2013 May;43(5):1106–18. 
[17] Hsiao EY, McBride SW, Hsien S, Sharon G, Hyde ER, McCue T, Codelli JA, Chow J, Reisman SE, Petrosino JF, Patterson PH, Mazmanian SK. Microbiota modulate behavioral and physiological abnormalities associated with neurodevelopmental disorders. Cell 2013;155(7):1451–63. 
[18] Golubeva AV, Joyce SA, Moloney G, Burokas A, Sherwin E, Arboleya S, Flynn I, Khochanskiy D, Moya–Pérez A, Peterson V, Rea K, Murphy K, Makarova O, Buravkov S, Hyland NP, Stanton C, Clarke G, Gahan CGM, Dinan TG, Cryan JF. Microbiota–related Changes in Bile Acid & Tryptophan Metabolism are Associated with Gastrointestinal Dysfunction in a Mouse Model of Autism. EBioMedicine.2017;;24:166–178. 
[19] Samsel A, Seneff S. Glyphosate’s Suppression of Cytochrome P450 Enzymes and Amino Acid Biosynthesis by the Gut Microbiome: Pathways to Modern Diseases. Entropy 2013; 15: 1416–1463. 
[20] Hietanen E, Linnainmaa K, Vainio H. Effects of phenoxyherbicides and glyphosate on the hepatic and intestinal biotransformation activities in the rat. Acta. Pharmacol. Toxicol. 1983; 53: 103–112. 
[21] Shehata AA, Schrödl W, Aldin AA, Hafez HM, Krüger M. The Effect of Glyphosate on Potential Pathogens and Beneficial Members of Poultry Microbiota in Vitro. Current Microbiology 2013; 66: 350–358. 
[22] Ssmsel A, Seneff S. Glyphosate pathways to modern diseases V: Amino acid analogue of glycine in diverse proteins. Journal of Biological Physics and Chemistry 2016;16: 9–46. 
[23] Qingli Li,1,2 Mark J Lambrechts,1 Qiuyang Zhang,1 Sen Liu,1 Dongxia Ge,1 Rutie Yin,2 Mingrong Xi,2 and Zongbing You1 Glyphosate and AMPA inhibit cancer cell growth through inhibiting intracellular glycine synthesis. Drug Des Devel Ther. 2013; 7: 635–643. 
[24] Fukuda S, Toh H, Hase K, Oshima K, Nakanishi Y, Yoshimura K, Tobe T, Clarke JM, Topping DL, Suzuki T, Taylor TD, Itoh K, Kikuchi J, Morita H, Hattori M, Ohno H. Bifidobacteria can protect from enteropathogenic infection through production of acetate. Nature 2011;469(7331):543–7. [25] Adams JB, Johansen LJ, Powell LD, Quig D, Rubin RA. Gastrointestinal flora and gastrointestinal status in children with autism–comparisons to typical children and correlation with autism severity. BMC Gastroenterol. 2011 Mar 16;11:22. 
[26] AitBaliY,Ba–MhamedS,BennisM.Behavioralandimmunohistochemicalstudyofthe effects of subchronic and chronic exposure to glyphosate in mice. Front. Behav Neurosci 2017; 11: 146. 
[27] Devnani PA, Hegde AU. Autism and sleep disorders. J Pediatr Neurosci. 2015 Oct–Dec; 10(4): 304–307. 
[28] Seneff S, Lauritzen A, Davidson R, Lentz–Marino L. Is Encephalopathy a Mechanism to Renew Sulfate in Autism? Entropy 2013; 15: 372–406. 
[29] Gildea JJ, Roberts DA, Bush Z. Protective Effects of Lignite Extract Supplement on Intestinal Barrier Function in Glyphosate–Mediated Tight Junction Injury. Journal of Clinical Nutrition and Dietetics 2017;3(1):1. 
[30] Wang CL, Zhang L, Zhou Y, Zhou J, Yang XJ, Duan SM, Xiong ZQ, Ding YQ. Activity–dependent development of callosal projections in the somatosensory cortex. J Neurosci. 2007;27(42):11334–42. 
[31] Shaw W. Elevated Urinary Glyphosate and Clostridia Metabolites With Altered Dopamine Metabolism in Triplets With Autistic Spectrum Disorder or Suspected Seizure Disorder: A Case Study. Integrative Medicine 2017;16(1): 50–57. 
[32] Luna RA, Oezguen N, Balderas M, Venkatachalam A, Runge JK et al. Distinct Microbiome–Neuroimmune Signatures Correlate With Functional Abdominal Pain in Children With Autism Spectrum Disorder. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2017;3(2):218–230.

Creative Commons License

Šta možemo naučiti iz modela miševa autizma Stephanie Seneff je licenciran pod a Creative Commons Attribution 3.0 United States License.

Postanka života Newton, Darwin, I obilja života u Svemir

Source: http://www.johnagowan.org/darwin.html

Sažetak

Dva giganta britanske nauke, Newton i Darwin, razvio teorije negentropic sile u fizici i biologiji. Ova dva naučnika Do njih je sahranjena u Westminster Abby, a njihove teorije gravitacije i evolucije na isti način dijele zajedničku osnovu i fraktal rezonancije s DNK. Jer DNK/RNK je i replikacije molekula i dio univerzalne 4×3 fraktal obrazac, implikacije za obilje života u Kosmosu su ogromne.

Uvod

Newton i Darwin su zakopani nekoliko metara, osim u Westminster Abby, ali to nije jedini razlika im je zajedničko. Oba razvili velike teorije negentropic sila koje stvaraju informacije domena. Newton razvio teoriju gravitacije koja proizvodi vremena i istorijskih arenu za evoluciju, i zaista stvara čitav fraktal hijerarhiju prirode direktno ili indirektno; Darwin razvio teoriju evolucije putem prirodne selekcije, proizvodeći u vremenu cijelog biotičkih carstvo (vidi: “Tabela prirodnih organizacije”). Dvije teorije seku u DNK, koja je, kao što je gravitacija, ima 4 × 3 fraktalnu strukturu, dinamičan i negentropic ulogu, ali je i repliciranje, biološki molekula. Iako veze gravitacija je indirektna, ne može biti DNK bez gravitacije za proizvodnju galaksija, zvezda i planeta gdje se stvaraju i sastavljeni molekula i njegove sastavne elemente. Još više u osnovi, bez gravitacije ne postoji vremenski i povijesne dimenzije u kojoj evolucija može raditi (vidi: “Uvod u Gravitacija”). Gravitacija je sveobuhvatni negentropic izvor za proizvodnju energije informacije kao kruna materije, u kojem DNK, život i evolucija su ugrađeni kao nakit.

Darwinova teorija je biotički, i zavisi molekularnu strukturu 4×3 i obrazac kodiranje DNK, čiji je bio potpuno u neznanju. Ipak, Darwin ispravno razvio bruto karakteristike teorije evolucije i otkrila svoje Operant mehanizam prirodne selekcije. Natural Selection se može modelirati kao 4×3 mehanizma: 1) heritabilnost 2) diferencijala fitness u odnosu na 3) korištenje ograničavajući resurs (Leowntin 1970) u strukturi stanovništva 4 nivoa: a) varijabla pojedinca; b) reproduktivni par; c) lokalno prilagođene stanovništva; d) reproduktivno izolovani vrste. Newton razvio ideju gravitacije otkrivajući njegov mehanizam ili zakon sile (F = GMM / rr), koja je kasnije pokazala Einstein da imaju 4 × 3 osnovi (četiri treće kako jednadžbe – promene stopa ubrzanja u x, y, z, t). Informativni Ladder“.

Iako je gravitacija je abiotičkih sila, ipak je odgovoran, direktno ili indirektno, za svaki nivo fraktala hijerarhije, stvarajući zvijezde i galaksije, stvaranje elemenata u zvijezde, i stvaranje planeta koji podržavaju život. Stoga Njutnov gravitacije stoji na Fraktal Hijerarhija prirode kao prirodne selekcije Darvinova stoji da je teorija evolucije – gravitacija je negentropic motor koji proizvodi sve materijalne sfere fraktalne hijerarhije, dok Natural Selection je negentropic motor biotičkih evolucije. Činjenica da oba ova negentropic diskova seku u 4 × 3 fraktal, replicira molekula DNK ima ogroman implikacije za obilje života u svemiru, što iznosi teoriju i predviđanja za egzobiolog.

4×3 Fractal Algoritam Stvara Mirroring Molecule

Pored fizičke manifestacije slobodnog i vezanog elektromagnetske energije (light, dimenzije, čestice, naknade, snage, itd), zatvoreni kosmički sistem je regulisan četiri osnovna zakona fizike: 1. i 2. zakona termodinamike (očuvanje energije i entropija), “Noether teorem” (očuvanje simetrije), i kauzalnost-informacije (zakon uzroka i posledice, ili “karma”). Tokom “Velikog praska” ili “Stvaranje događaja”, te 4 prirodne regulatornih zakona komuniciraju jedni s drugima i 4 dimenzije prostorvremena metričkih za proizvodnju stvar i optužbe 4 i sile fizike, kao što je prikazano u “Tetraedar Model“. To još uvijek misterioznog simetrije-razbijanje proces (posredovana slabe sile) predstavlja  primordijalne primjer i dinamičan od 4×3 fraktal algoritam u prirodi, proizvodeći u okrenite Prvi materijal iteraciju fraktal: 3 porodice 4 elementarnih čestica, a zatim u tlu države barione od 3 kvarka nošenje 4 naknade, itd (vidi: “prirode Fraktal Pathway“).

Nakon proizvodnju baryon na nivou čestica (preko slabe sile simetrije razbijanja tokom Velikog praska), 4 × 3 fraktal mehanizam (rade kako u Velikom prasku i zvezdane nucleosynthetic put) proizvodi alfa čestica (helij jedra) i ugljen na atomskom nivou (ugljen nosi zapanjujući 5 puta rezonantne 4×3 algoritam). Prelazak na nižim energijama planetarnih arene i atomske elektron školjci, fraktal pogon sljedeći proizvodi tetraedralna obveznice i kristala na molekularnom nivou (posebno u oba ugljika i vode), i na kraju 4×3 molekularnu strukturu RNK-DNK. DNK je molekularna presjek abiotičkih fraktal rezonancu i biološke replikacije serije, zbog jednostavne činjenice da DNK, dok je na molekularnoj strukturnom nivou fraktal 4×3 rezonance, nalazi se na biološkom nivou je replikacije molekula proizvodnju 4 × 3 genetski kod. Jednom DNK počinje reprodukciju, molekularne konkurencije unutar konačan okruženju između sličnih potrošača sa sličnim potrebama za ograničene resurse stvara novi negentropic pogona u domenu Informacije – Natural Selection – koji, kao i gravitacija, može se modelirati kao 4×3 dinamičke (vidi gore). Djelujući u dogovoru sa večnom pretraživanje stvar za antimateriju (preko elektromagnetne sile), gravitacije i prirodna selekcija su komplementarni abiotičkih i biotičkih negentropic diskova koji su izvršili biološke informacije sistema fantastičan nivoa složenosti. Proširene dalje od Abstracting, simbolizirajući inteligencije i tehnologije ljudi, ne postoji poznati granica informacijama sofisticiranosti sistema eventualno ostvariti.

Konačno, činjenica da RNK-DNK 4×3 fraktal rezonancije ima ogroman implikacije za obilje života u svemiru, za to znači da je stvaranje replikacije molekula DNK nije slučajan događaj, ali vjerojatno i predvidljiv proizvod od abiotičkih fraktal algoritam koji rade u bilo kojem odgovarajućem okruženju. Jer voda ima tetraedarsku vezivanje obrazac, veza između ugljika i DNK preko 4×3 fraktal serija je posebno poboljšana u prisustvu “univerzalnog otapala”. Ovo očito je zašto život nastao na vodi prekrivenom Zemlji tako brzo nakon prestanka početnog perioda nagomilavanja i bombardovanja naše planete.

Tu je izuzetna paralela između fizičke strukture atoma i funkcionalnu strukturu našeg Sunčevog sistema – ne u smislu “Bohr atom” (to je atom je minijaturna solarni sistem), ali u smislu da atomskog jezgra diskove zvezdane motor i njegov razvoj (stvaranje novih elemenata), dok je elektron ljuska je odgovoran za hemijsku aktivnost planeta i njihove evolutivne produkcije, od stvaranja jednostavnih, hardy minerala na elegantan, delikatan biohemije samog života. Strukturne “podjela rada” u atomu se ogleda u funkcionalnoj “podjela rada” u našem Sunčevom sistemu: nuklearne energije i evoluciju elemenata na suncu, elektron školjke energije (hemija) i evolucija mineralnih i bioloških oblika na zemlji. centralna obrazloženje našeg kosmosa.

Dok zvijezde su zauzeti čineći elemenata Periodni sustav, planete su zauzeti čineći hemikalije života. Čak i naši “mrtav” Moon igra veliku ulogu u izboru života Zemljine (posebno morskih i ranom životu), stabilizuje našem podneblju, a možda radi na drugi način ne još u potpunosti shvatiti (kao što Zemljine unutrašnje topline i magnetnog polja? ). Čak i prostor stijene (u obliku kometa i asteroida) su igrali značajnu ulogu u evoluciji biologije naše planete. Značaj drugih planeta za zemlju-život je nepoznat (osim u slučaju formiranja naše (neuobičajeno veliki) moon, ali svakako mora biti velika (na primjer, u određivanju naše udaljenosti od Sunca). Galaksija na slobodi potrebno je proizvesti mnogo različitih teških život elemenata zavisi (preko supernove i Stellar generacija), evolucijski pravac prema apstraktnim / simboličke oblike informacija – kao što je navedeno (za lokalnu primjer) u ljudske mašte, misli, jezik, matematika, znanost, tehnologiju, umjetnost, filozofija, itd ..

Hidrogen razvoj bomba od strane ljudi je ekvivalent atomskog jezgra direktno u interakciji sa elektrona ljuske atoma, ili dovođenja komad Sunčeve unutrašnjosti dole na zemlju. To je kao da je elektron granata je odlučio da pomogne nukleus na svom putu transformacije. Ali to ne može biti dobra ideja – nukleus ne treba našu pomoć, a nuklearna energija domena je po nalogu deset miliona puta veći od elektrona ljuske. U prirodi, dobar rezultat se dobija ako se ovaj tip interakcije (fotosinteza na primjer) je moderirao 93 miliona kilometara razmaka (plus našoj atmosferi i sunčeve atmosfere, Zemljino magnetno polje, noću, prekrivaju vode, itd.) Simbolika/mitologije koje se odnosi ova razvoja je zapanjujući, podsjećajući na otvaranje Pandorine kutije, Duh bekstva bocu, zabranjeno voće Drveta Znanja, kazna Prometeja, i sve vrste zabranjenih kompakta sa đavolom i drugih ljudskih prestupa na svete (ili prokleti) osnovi. Očigledno, čovječanstvo je ušla u novo doba, nuklearno doba (fisije ili fuzije), ali je to utopijska doba veliko obećanje, ili užasan (možda final) doba velike opasnosti? Istorijski gledano, mi smo se ponašali kao majmuni noževima. Sada nauka je zamijenio one noževe sa bombama koje mogu uništiti svijet. Možemo li promijeniti naše ponašanje u vrijeme da se i naš planet spasiti? Je li to zato što vidimo nema posjetitelja iz drugih krajeva naše galaksije? Očigledno, čovječanstvo je ušla u novo doba, nuklearno doba (fisije ili fuzije), ali je to utopijska doba veliko obećanje, ili užasan (možda final) doba velike opasnosti? Istorijski gledano, mi smo se ponašali kao majmuni noževima. Sada nauka je zamijenio one noževe sa bombama koje mogu uništiti svijet. Možemo li promijeniti naše ponašanje u vrijeme da se i naš planet spasiti? Je li to zato što vidimo nema posjetitelja iz drugih krajeva naše galaksije? Očigledno, čovječanstvo je ušla u novo doba, nuklearno doba (fisije ili fuzije), ali je to utopijska doba veliko obećanje, ili užasan (možda final) doba velike opasnosti? Istorijski gledano, mi smo se ponašali kao majmuni noževima. Sada nauka je zamijenio one noževe sa bombama koje mogu uništiti svijet. Možemo li promijeniti naše ponašanje u vrijeme da se i naš planet spasiti? Je li to zato što vidimo nema posjetitelja iz drugih krajeva naše galaksije? Možemo li promijeniti naše ponašanje u vrijeme da se i naš planet spasiti? Je li to zato što vidimo nema posjetitelja iz drugih krajeva naše galaksije? Možemo li promijeniti naše ponašanje u vrijeme da se i naš planet spasiti? Je li to zato što vidimo nema posjetitelja iz drugih krajeva naše galaksije?