3. Biologiska IS.
 

 3.1 Molekyler, celler och information

Det mänskliga ögat, i tidigare exempel, är en intressant och klassisk beskrivning över hur komplext ett biologiskt informationsbehandlande system är, men själva livet är en ansamling av oräkneliga antal komplexa informationssystem.

Låt oss börja på den molekylära nivån, där:

  • genens DNA, är en lång sekvens av molekyler ömsesidigt relaterade med varandra för att uppnå klara och strategiska målsättningar.
  • Sekvensen kopieras till en ny sekvens betecknad som meddelande - RNA, vilken lämnar information om DNA kopian till en biokemisk central som använder RNA inom ett annat informationssystem som brukar betecknas som reproduktion.
  • RNA är den exakta ritningen till de nya molekyler som kommer att utforma den nya DNA för vidare utveckling.(strategiskt IS)

Genom processen DNA-RNA-DNA utformas omvandlas och byggs proteiner enligt den information som finns lagrad i genen.

En enda cells omkring sex miljarder DNA-steg rymmer hela arbetsbeskrivningen som behövs för att bygga upp en flercellig individ. Generna ger dessutom information om hur individen skall fortplanta sig.

En encellig organism är ett informationssystem för att upprätthålla liv. Den encelliga organismen är en väl utformad inre byggnad varigenom själva cellen:

  • kontrollerar livsprocesserna. (autoregulation).
  • svarar på, reagera mot ändringar i livsbetingelserna. (retbarhet)
  • har rörelseförmåga eller kontraktilitet,
  • har näringsupptagning och sönderdelning av födan,
  • har ämnesomsättning (metabolism), dvs. förmåga att utnyttja födans energi och omvandla denna i andra energiformer,
  • har tillväxt d v s av den upptagna födans enklare ämnen bygga upp egna beståndsdelar,
  • har respiration: upptagande av syre avgivande av koldioxid. Syre är nödvändigt för cellens förbränningsprocesser. Vid förbränning frigörs energi.
  • Utsöndrar, förmågan hos cellen att befria sig från avfallsämne eller överskott av material.
  • Förökar, förmåga att föra arten vidare.

Alla ovannämnda aspekter är relaterade till olika målsättning med information som samverkande grundelement och med olika nivåer av IS som måste agera med livet som insats.

Biologiskt sätt alstrar en enda cell via DNA en mångfald andra celler. Mångfalden fungerar som en helhet för att bevara artens särdrag, men under den långsiktiga biologiska utvecklingen kunde ge plats åt en hel och ny strategi, den flercelliga organismen.

3.2 Utveckling av biologiska IS

Livets uppkomst, har ännu inte kunnat helt förklaras trots vetenskapens landvinningar. När mönstren av de två reproduktionscellerna smälter samman, finns inga färdigbildade små kvinnor och män ihopkrupna i moderkakan, utan en tunn samling trådar: Arvsanlagen är inskrivna på ett kemiskt band, vridna som en spiralformad stege, där stegpinnarna består av fyra olika kemiska baser, kopplade med socker och fosfat. Tusentals stegpinnar bildar en gen. Tiotusentals gener, ordnade i strukturer betecknade som kromosomer, överför villkoren för livets existens och inneboende differentiering, avgör sjukdomsbenägenhet, hudfärg, ögonfärg, temperament, etc. På dessa inskrivna trådar förs dessutom livskoden generation efter generation.

Under det tidiga stadier av den mänskliga embryots utveckling anpassar sig cellerna snabbt till nya omgivningar; celler från en hud utformande grupp kan bli till exempel hjärnceller och vice versa emellertid vid någon tidpunkt når cellerna en återvändsgränd. Ett slutgiltigt kommandoord har givits. Om en cell nu transplanteras till en annan del av organismen kommer den cell att envist rätta sig efter det kommando för dess respektive plats.

Flercelliga organismer är ett samordnande system mellan cellerna, dess utformning och dess arbetsfördelning där informationen mellan dem är avgörande för livet och de indelade funktionernas normala tillstånd.

Flercelliga organismer er inte bara flercelliga ansamlingar utan väl samordnande IS, som fungerar så väl på den molekylära nivån (mikronivån) som på den funktionellt biologiska nivån. (makronivån)

Hos en flercellig organism ansvarar en viss celltyp för en speciell uppgift eller funktion och de olika celltyper samarbetar för hela organismens bästa. Samordning och specialisering hos flercelliga organismer är lika viktig som mångsidighet hos encelliga levande.

Varje celltyp har karakteristiska struktur och funktion. Cellslagen med likartad struktur och funktion är samlade till vävnader. I den mänskliga kroppen kan särskiljas följande vävnadstyper :

  • Epitel, intercellulärsubstans.
  • Flytande vävnad. (blod, lymfa)
  • Bindesubstans vävnad.
  • Muskelvävnad
  • Nervvävnad.

"Den centrala delen av den mänskliga hårdvaran" (m-CPU:n) för studier av kognition finns huvudsakligen i den sistnämnda vävnaden.

Nervvävnader innehåller neuroner (nervceller) som av pedagogisk orsak kan indelas i motoriska, associativa och sensoriska, samt av stödceller (neuroglia, satellitceller)

Nervceller utgör flera delsystem, ett system är specialiserade på att leda signaler. Signalerna leds vidare genom nervcellerna till andra nervceller, muskelceller eller körtelceller. Varje nervcell kan dessutom ha kontakt med tusentals andra genom nervtrådens ändar. En nervimpuls uppstår när en nervcell utsätts för rätt sorts retning. Impulsen liknar ström leda via olika ledningsmaterial. Nervimpulserna har olika hastigheter i de snabbaste ledtrådar går impulserna i 150 m/s. Långsammast är impulserna i de tunnaste nervtrådarna med en hastighet av kring 0.5 m/s.

Hela nervsystem kan man dela in i det centrala och det perifera nervsystem, det centrala består av hjärnan och ryggmärgen. Det perifera nervsystem är alla de nerver som förgrenar sig från ryggmärgen ut i kroppen och våra sinnen.

Ur ett funktionellt sätt kan nervsystemet delas upp i en viljestyrd och en (autonom) självständig del.

Ur ett informationsteknologiskt perspektiv, är varje neuron lik en enkel processor som tillsammans med andra i mångfalden utformar olika komplexa funktioner så som, nätverkssystem, säkerhetssystem, kontrollsystem, reglersystem, temperatursystem, rörelsesystem, utvecklingssystem, beslutsystem m, m.

3.3 Bioprocess, nervceller, nätverk

Den mänskliga hjärnan, liksom hela den fysiska kroppen är utformad av "primordiala protoplasmiska enheter" (16) numera kallade för celler som genom sin utvecklingsdifferentiering arbetar samordnade i olika organ och har specialiserade funktioner.

Den mänskliga CPU´n består av organiserade neuroner eller nervceller; inne i kraniet och expanderade i kroppen finns det enorma mängder av förbindelser mellan nervcellerna.
Nervcellernas system tillsammans med sinnesorgan och de inre sekretoriska körtlarna kontrollerar och samordnar kroppens samtliga funktioner. Några av de viktiga egenskaper hos nervcellerna är retbarhet och ledningsförmåga. De är också organiserade på ett lagbunden sätt, varmed främst avses det faktum att olika delar av nervsystem utvecklas för analys, kontroll och samordning av olika organfunktioner.

Den förste som undersökte hjärnan metodiskt var den tyske läkaren Franz Joseph Gall (1758-1828). Det som Gall studerade såg ut som en stor skalad valnöt med två rynkiga halvklot täckt av en kompakt vävnad några millimeter tjock och hoppskrynklad för att en större yta ska kunna rymmas i skallen. Vävnaden kallas hjärnbarken. (lat. Cortex). Under vävnaden finns mellanhjärnan, ovanför ryggmärgen hjärnstammen och baktill två hopskrynklade lober: lillhjärnan.

 Utveckling av den mänskliga CPU:n: från reptilhjärna till medvetandet

 

 

3.4 Biologiskt IS och säkerhet

Liksom en strategisk organisation som brukar ha flera datorsystem med liknande information för att bevara sin effektivitet, är den mänskliga hjärnan försedd med tillräcklig reservutrustning. Samtliga fem hjärndelar står i förbindelse med varandra. Systemet innehåller också en larmcentral som varskor när någonting av vikt är på gång, för genom den passerar alla nervbanor från sinnesorgan och där lillhjärnan agerar som autonom pilot.

När man lär sig någonting t. ex simma, är det till en början hjärnbarken man använder: man måste tänka på vad man gör, senare kan man simma utan att tänka, eller ännu bättre tänka på något annat. Hjärnbarken har lämnat över sitt ansvar till lillhjärnan.

Hjärnan utgör det anatomiska underlaget för de högsta funktionerna i organismen, såsom tankeverksamhet, tankeförmåga, (delen som intresserar AI.teoretiker) skaparkraft liksom sinnesstämningar och känsloläge. (emotioner)

Inom studier av Artificiell intelligens brukar man jämföra hjärnan med en tillämpande och avancerad processor, jämförelsen är egentligen felaktigt, hjärnan liknar mer en ansamling av tusentals processorer som är anpassbara och utvecklingsbara under hela sin existens. Dessa processorer samarbetar och samordnar alla hjärnans funktioner under något som liknar ett distribuerade system.

Ur evolutionens tidsperspektiv bildades först det enkla nervsystem som finns hos maskar och sjöstjärnor. Sedan bildades en låg nerv som löpte längs hela kroppen, efterhand omslöts denna av ett skyddande hölje som utvecklades till ryggrad, hjärnstammen utvecklades allteftersom kroppen blev mer komplicerad. Fram och bakända tog form för att ge plats till mellanhjärnan. Mellanhjärnan möjliggör en grov uppfattning om miljön och enkla viljestyrda handlingar. Slutligen utvecklades storhjärnan först som en centrum för att analysera synintryck och ljud, senare växte den över de äldre delarna av hjärnan som en mössa, när den blev för stor för att rymmas i skallen började den bli skrynklig tillsammans med hjärnbalken (cortex) den gråa substansen som täcker storhjärnan.

 

Eftersom hjärnan är det viktigaste organ hålls den väl skyddad av skallbenet, som omges också av flera hinnor och en speciell vätska som fungerar som stötdämpare. För att hjärnceller alltid ska ha tillräcklig tillgång till syre och näring, (druvsocker) är den väl försedd med blodkärl

Enorma mängder av nervbanor förbinder olika delar av hjärnbalken med talamus som leder impulser i både riktningar från mellanhjärnan. Hjärnbalken hänskjuter sin observation av omvärlden till thalamus för att få en emotionell värdering av det.

Antalet nervceller på människans kropp, brukar anges mellan 8 till 14 miljarder. Lillhjärnan innehåller ca 40 miljarder plus otaliga celler i det limbiska systemet och hjärnstammen. 100 miljarder är en rimlig gissning för hjärnan som helhet. De olika delarna av hjärnan har många förbindelser. Människohjärnan med sina 1,4 Kg är inte mycket att jämföra med elefantens 5 Kg eller blå valens 7 Kg men i fråga om förbindelser och nivåer är den mänskliga hjärnan utan konkurrens.

De elektriska aktiviteterna i hjärnans nervceller kan avledas med hjälp av elektroder och registreras som ett elektroencefalogram. När hjärnan är passiv (på tomgång) arbetar cellerna i samma takt, det kallas för alfarytmen. När hjärnan koncentrerar sig på ett problem upphör synkroniseringen, olika celler arbetar med olika saker. I meditationstillstånd kommer nervcellernas till en långsammare rytm som kallas för thetarytm.

Förutom den elektriska överföring mellan nervcellerna som kännetecknas av att impulserna transporteras med oförminskad hastighet och oförminskad styrka, har räknats upp åtminstone 5 andra typer av "meddelandeöverföring", en av dem, den elektrotoniska överföringen dör efterhand bort och samtidigt minskas hastigheten, de andra definierade som biokemisk överföring finns av flera slag. Den största förändringen inom hjärnforskning och neurovetenskap är att man har insett att förutom en komplex elektrisk anordning handlar det också om ett komplicerad biokemiskt system. Först 1956 identifierades noradrenalin som det sympatiska nervsystemets signalsubstans, senare trodde man att det fanns två ämne i omlopp: noradrenalin och acetylkolin. Numera vet man att det finns över 40 andra aktiva substanser: Neurokemi är ett nytt forskningsområde som ger förhoppningar om bättre syn på hur information hanteras.

synapsiska (17) förbindelser etablerats mellan två nervceller kan transmission (av impulser) ske mellan dem, nervcellerna bildar på detta sätt nervbanor som liknar den ledningsförmåga som ett effektivt ledande elektriskt material har. Impulser via nervbanor kallas för reflexer.


Vanliga typer av neuralkommunikation

En stor del av nervsystemets aktivitet utspelar sig mot bakgrunden av mer eller mindre komplicerade reflexbanor med centra belägna inom såväl hjärna som ryggmärg. (beskrivs mer ingående inom studier av neurovetenskap)

3.5 Hjärnans viktiga kännetecken

Hjärnan skiljer sig från tillverkade maskiner på flera olika sätt:

  • Förmåga att kunna reparera sig själv.
  • Att lägga om förbindelser enligt bästa förmåga .
  • Förmåga att omfördela resurser.
  • Anpassa sig effektivt efter ändrade förhållande.
  • Förmåga att utveckla och omforma sin egen utveckling.
  • Utformar ett skyddat system mot skador eller försämring.
  • Åstadkomma till korrekta resultat trots opålitliga komponenter.
  • Arbetar probabilistiskt och kausalt i stället för deterministiskt.
  • Uppfattar mycket ofullständiga likheter
  • Kan filtrera information för att minska belastning
  • Är oavbrutet aktiv även om man sover.
  • Innehåller ett autonomt och ett påverkbart återkopplingssystem.

De finns otaliga återkopplingsnivåer och slingor,

och det viktiga med dessa är att de är hypermorfiskt inkapslade i varandra.
Varje nivå bestämmer målet för nivån närmast under.
(En mycket primitiv jämförelse av processen är datanätets protokollsystem med en processor i varje nod.)
Bilden till vänster: Hjärnan och dess nervbanor via ryggmärg:

 

 

3.6 Biologiska In/Ut enheter

En vidare aspekt på nervcellernas funktion är att studera hur en organism kommunicerar med yttre världen via sina IN/UT enheter i det komplexa informationssystemet.

Vår uppfattning om förhållanden i omgivningen och vår eget fysiska system grundar sig på den information som når vår hjärna via våra IN/UT enheter: sinnesorganen. Information är emellertid begränsad eftersom sinnesorganens sinnesceller (receptorer) är så konstruerade att de endast kan reagera på vissa bestämda fysikaliska eller kemiska retmedel.

Huden är vår största känselorgan. I varje kvadratcentimeter finns hundratals känselreceptorer, som informerar oss om den närmaste omgivningen och blir förtrogna med det egna jaget. Det avstånd vi håller mellan oss och andra beror på hur nära bekanta vi är och i vilken kultur vi lever.

Alla sinnesintryck; syn, hörsel, lukt, smak och känsel uppfattas av så kallade receptorer, som ständigt håller hjärnan underrättad om kroppens tillstånd och omgivningstillstånd. Samtidigt verkar det som man sorterar bort nästan 99% av alla sinnesintryck bara för att de inte anses vara betydelsefulla eller hotfulla just i det ögonblick, om inte, skulle den enorma mängd av intryck driva oss till vanvett. Allt detta sker via vårt nervsystem.

Att vi nämner traditionellt fem olika sinnen har att göra med vår vetenskapliga historia: Aristoteles tillskrivs vara upphovsman till denna uppfattning. Idag räknar man med andra samordnande sinnen, balanssinne, orienteringssinne, samt växelverkan mellan alla nämnda.

Allt kontakt med omgivning sker via våra sinnes organsystem och det är nervcellerna i storhjärnans bark som gör att vi kan tänka, minnas och bli medvetna om allt vi ser, känner och hör. Det är också storhjärnans bark som styr allt det vi gör medvetet. Storhjärnans uppdelade halvor har olika uppgifter men dessa arbetar parallellt och samordnar dess aktiviteter. Djupare ner i storhjärnan finns områden som styr känslomässiga reaktioner.

Lillhjärnan kontrollerar balans och rörelser och därför fungerar som en samordningscentral vid växelverkan med omgivningen.

Hjärnans nedersta del, hjärnstammen binder samman storhjärnan och lillhjärnan med ryggmärgen. Hjärnstammen är centra för de s k autonoma eller automatiska funktioner som kroppstemperatur, blodcirkulation, andning, ämnesomsättning, m. m.

Hjärnans klassindelning i olika område eller centra mer än en funktionell indelning är av pedagogiskt karaktär. Hjärnans olika centra har egentligen inga exakta gränser i stället samarbetar hela tiden hjärnceller från olika delar av hjärnan för att uppfylla varje mentalt ändamål. Genom att varje nervcell i hjärnan har tiotusentals kopplingar till andra nervceller de kan påverka och påverkas av andra på samma eller olika sätt. Det som sker i en viss del av hjärnan övervakas och kontrollers av ett stort antal nervceller i närheten och i andra områden. Nervcellernas kopplingar är avgörande för dess förmåga att lagra och plocka fram information. Samtidigt, ständigt strömmar mängder impulser genom hjärnan.

Insignalerna leder till centra som tar emot sinnesintryck där behandlas dessa impulser (information) och först då blir vi medvetna om vad vi kommer att se eller känna.

Utsignalerna kommer från centra som sänder ut information från hjärnan. Dessa hjärncentra skickar styrkommando till talcentrum, eller rörelsecentrum.

- Datorn och hjärnan: