Złożoność informacji genetycznej.
Język genetyczny DNA ma 4 litery, kombinacje par zasad nukleinowych.
A-T, T-A, G-C, C-G
A=Adenina, T=Tymina, G=Guanina, C=Cytozyna
Kodony: 3 litery to jedna sylaba, 4*4*4=64=26 możliwości.
Sylaby kodują wytwarzanie 20 aminokwasów łączących się w łańcuch białkowy, np. AAA to lizyna.
Gen to wyróżniony funkcjonalnie odcinek DNA (koduje zwykle kilka fragmentów zwanych egzonami, przedzielonych intronami), kodujący złożone z łańcuchów aminokwasów białka budujące komórki lub kontrolujące procesy w komórkach (enzymy).
Białka tworzą się w wyniku ekspresji i transkrypcji informacji zawartej w genach.
Genom człowieka (mapowanie pierwszego ludzkiego genomu zakończono w 2003 roku po 13 latach) zawiera nie więcej niż 20-25 tysięcy genów kodujących białka, zaskakująco mało, bo robaki mają 19.000 a muszka owocowa 13.500!
Najprostsza bakteria ma ok. 500 genów, wirusy i fagi (wirusy atakujące bakterię) mają od kilku do kilkuset genów.
Niektóre rośliny, płazy, małże a nawet insekty mają znacznie dłuższe genomy niż ssaki (rośliny nawet 1000 razy!), ale liczba genów nie jest mocno większa.
Człowiek ma 3.2 mld par zasad (bp), a ameba ma najdłuższy znany genom, 670 mld bp, a ryba prapłetwiec abisyński ma 130 mld bp!
Tylko około 1.5% DNA człowieka to geny kodujące białka, reszta to introny (fragmenty genów niekodujące białek), geny kodujące RNA, sekwencje regulacyjne, i "junk DNA", którego funkcji nie znamy.
Prawdopodobnie jest to materiał, na którym przyroda może poeksperymentować.
Złożoność sieci genetycznych, oddziaływań białkowych, może się znacznie różnić mimo podobnej liczby genów, w szczególności mają na na nią wpływ fragmenty niekodującego DNA, w których wykryto liczne polimorfizmy pojedynczych nukleotydów (SNP).
Nić DNA ma ok. 2 m długości i zwinięta jest w 23 parach chromosomów.
Chromosom 1 ma 245 milionów par zasad (liter), chromosom 21 ma 47 milionów par zasad.
Cały genom człowieka ma ok. 3.2 mld liter = 1 mld sylab.
Liczba komórek w ciele człowieka jest rzędu 1013-1014.
Całkowita długość nici DNA w naszym ciele jest więc rzędu 1012-1013 metrów, lub 10 do 100 mld kilometrów.
Odległość Ziemi od Słońca to ok. 1.5 x 1011, więc 10 razy mniej!
Liczba bakterii przewyższa liczbę komórek o ponad rząd wielkości ... jesteśmy hybrydami komórkek i bakterii!
Informacja: sylaba to 3 pary, każda 4 litery, czyli 64 możliwości, więc potrzeba 6 bitów, bo 26=64.
Do zapisania genomu potrzeba więc 6 bitów/sylabę x 1 mld sylab = około 6 Gbitów, mniej niż 1 GBajt.
Jest to 250 tomów po 1000 stron, ok. 12 metrów półek, ale obecnie mieści się na łebku szpilki w pamięci półprzewodnikowej.
Ilość informacji genetycznej nie wzrasta od miliardów lat, jedynie jej organizacja się zmienia.
Płeć genetyczną determinują chromosomy płciowe, czyli XX u kobiet a XY u mężczyzn.
Chromosom X ma wyjątkowo dużą liczbę genów związanych z mózgiem, więc większość zdolności dziedziczona jest po kądzieli.
Ewolucja pozagenetyczna zachodzi dzięki informacji gromadzonej w mózgu.
Mózg człowieka w liczbach.
Masa: niemowlę średnio 350 gramów, ok. 12% całkowitej wagi ciała.
Dorosły średnio 1375 gramów (od 1.0-2.5 kg), kobiety średnio 150 gramów mniej, ale ten sam stosunek masy mózgu do masy ciała.
Mózg Einsteina miał 1230 gramów, a więc tyle co średnia dla kobiet.
Masa mózgu to ok. 2% całkowitej masy ciała.
Objętość to ok. 1.4 litra.
Dinozaur o masie wieloryba miałby mózg 100 razy lżejszy.
Najcięższy mózg ważył 9.2 kg i należał do kaszalota.
Kora mózgu delfina butlonosa osiąga 3745 cm2, znacznie wiecej niż 2275 cm2 u człowieka, jest za to o połowę cieńsza i ma trochę mniejszą objętość niż u ludzi.
Moc elektryczna mózgu: ok. 20-25 Watów, osiągana już w trzecim roku życia.
Zużycie energii: ok. 20% całowitego zużycia tlenu i 25% zużycia glukozy, przy 2% masy całego ciała;mózg zużywa energie 10 razy szybciej niż inne części ciała.
Liczba stanów, jakie może przyjąć mózg jest teoretycznie nieograniczona, w praktyce niezwykle duża.
Liczba neuronów: ok. 40 mld neuronów, 30 mld móżdżek, > 8 mld kora, < 2 mld pozostałe.
(Rozbieżności w literaturze są znaczne, tu podaję za G.M. Shepherd, The Synaptic Organization of the Brain, 1998, ale często podaje się 100 mld neuronów, więc niepewność może być rzędu 2-3 razy.)
Powierzchnia kory: ok. 2500 cm2; delfiny, słonie i wieloryby mają znacznie większą powierzchnię kory.
Robak C. elegans, który ma 2/3 liczby genów człowieka, ma tylko 302 neurony, ale mrówki lub muchy już około 1/3 miliona, a karaluchy i pszczoły koło miliona.
Synapsy neuronów:
kora 4000/neuron, 3x1013 połączeń,
móżdżek 3x1012 połączeń,
pozostałe 2x1013 połączeń,
razem 5x1013, czyli 50 bilionów, ale niektóre opracowania podają nawet 2.4x1014, czyli 240 bilionów.
Dla myszy: 16 milionów neuronów, średnio 7800 synaps/neuron (w/g Breitenberg, Schuz 1998).
Pojedyncza synapsa daje mały wkład do całkowitego potencjału postsynaptycznego (EPSP); potrzeba 5-300 niemal jednoczesnych pobudzeń by wywołać impuls.
Kora wzrokowa szczura: wkład synapsy rzędu 0.8mV, minimalnie konieczna jest depolaryzacja rzędu 20mV.
Pojemność pamięci człowieka: naiwne oszacowanie, traktując stan każdej synapsy jako 10 bitów informacji, jest rzędu 10x1014 = 1 Petabit.
Oszacowanie tempa świadomego przepływu informacji (nieświadome jest znacznie większe).
Wzrok dostarcza nie więcej niż 5000 bitów/sek, pozostałe zmysły tylko 100 bitów/sek,
Oszacowanie: 5 sakkad/sek, pole ostrego widzenia to 2 stopnie;
Księżyc ma 1/2 stopnia łuku, widać na nim ok. 12 elementów o wielkości 0.5/12=0.04 stopnia.
W polu widzenia jest (2/0.04)2 = 2500 pikseli, max. 20 bitów/pikseli, ok. 50 kbit/pole.
Zapamiętanie takiego obrazu wymaga ok. 10 sek, czyli szybkość to ok. 5 kbit/sek.
W ciągu 60 lat życia daje to około 10 Terabitów.
Oszacowanie mocy obliczeniowej: 1014 połączeń zmienia swój stan 100 razy na sekundę, co daje 1016 operacji/sek = 10 Petaflopów.
To raczej zawyżone, bo neurony nie działają niezależnie a operacje w komputerze są na 32, 64 lub 128 bitach, więc równoważna moc obliczeniowa nie przekracza 1 PFlopa.
Szybkie reakcje możliwe są w 100-200 milisekund, co pozwala na jedynie 10-20 kroków (zmiany globalnego stanu, wymagające synchronizacji).
Mózg na obwodach VLSI: 10x10x32 metry, 10 TB RAM, 1-10 Pflopów
IBM Blue Gene w 2005 roku oferował porównywalną moc obliczeniowa używając 131.000 procesorów i osiągając 0.28 Pflopa.
Oszacowania neuroanatomiczne: mózg maksymalizuje ilość połączeń.
Jeśli każdy neuron połączyć z każdym innym to wypełnią kulę o promieniu 80 metrów!
Jeśli miedzy neuronami założyć 10.000 przypadkowych połączeń na neuron to nadal będzie kula o promieniu kilka metrów.
Wniosek: mózg ma specyficzną strukturę, chaos może panować w małej skali, ale w dużej skali panuje porządek i tylko nieliczne obszary się ze sobą komunikują.
Ewolucja mózgów, porównanie różnych mózgów.
Ameby, powstałe prawie 4 mld lat temu nie mają układu nerwowego, podobnie wielokomórkowe gąbki; dopiero meduzy mają zaczątki nerwów.
Pierścienice, jak ich poprzedniczki sprzed 500 milionów lat (Kambr), mają zwój nerwowy w głowie oraz brzuszny pień nerwowy.
Dlaczego mamy skrzyżowane wiązki nerwów, lewa strona kontrolowana jest przez prawą półkulę i odwrotnie? Bo najstarsze organizmy takie jak pierścienice wykształciły odruch skręcający! Wyjątkiem jest węch, powstały z chemicznego zmysłu z przodu ciała.
Ryby mają mózg, móżdżek, opuszkę węchową i rdzeń kręgowy. Pierwsze ryby z okresu syluru (440 mln lat temu) miały już zróżnicowany układ nerwowy.
Konik polny ma ok. 16.000 neuronów. Owady powstały w dewonie, ok. 400 mln lat temu.
Mózg gadów jest wyraźnie większy i podzielony na dwie półkule. Głowa jest wysunięta do przodu, zgodnie z kierunkiem poruszania się, umożliwia to szybkie reakcje. Mózg reguluje homeostazę, przetwarza dane zmysłowe i umożliwia złożone zachowania motoryczne.
Ssaki, powstałe w okresie jurajskim (ponad 200 mln lat temu) mają znacznie większe mózgi z rozbudowanym układem limbicznym i rozrośniętą korą, która ma 6 warstw
Ptaki mają złożone mózgi z rozbudowanym układem limbicznym, ale ich kora jest znacznie mniejsza niż u ssaków; chociaż plan budowy ich mózgów jest podobny do gadów to ich funkcja okazała się podobna jak u ssaków. W 2005 roku zmieniono nazwy struktur mózgów ptaków.
Przodkowie człowieka:
Australopitek (4-5 mln lat, czaszka < 0.5 litra);
Homo habilis (2,5 mln lat, 0.65 l);
Homo erectus (1.5 mln lat, 1.0 l);
Homo neandertalis (1.6 l) oddzielił się od przodków Homo sapiens 250.000 lat temu,
ostatni neandertalczyk żył ok. 35.000 lat temu.
(http://www.fizyka.um...g/04-rozwoj.htm)
