Bipedale trenger den -balansen. Hvor kom den fra?
David Coppedge; 20. april 2023. Oversatt herfra

Som stående turgåere, er mennesker utsatt for skader fra fall. Vårt tyngdepunkt, nær navlen, er mye høyere enn for en hund eller rotte, som er balansert på fire føtter. Howard Glicksman og Steve Laufmann Merk i den designede kroppen din at du bare har et halvt sekund, fra å miste balansen til å treffe bakken.

Mange av oss kjenner kjære som har falt og pådratt seg store skader på hodet, hoftene, ryggraden eller andre kroppsdeler. Den kommersielle linjen "Hjelp! Jeg har falt og jeg kan ikke stå opp! " Minner oss om faren for fall for eldre som har mistet sin ungdommelige balanse og reaksjonstid. De unge ville ha samme risiko, hvis det ikke var for intrikat utformede mekanismer for rask korreksjon fra tap av balanse. Før det var ambulanser og akuttmottak, ville dette sannsynligvis ha avsluttet menneskeslekten, for i darwinistisk tenking må enkeltpersoner nå reproduktiv alder for å oppnå den mystiske egenskapen som kalles "Fitness." Hvor mange fall vil det ta for de unge å oppnå en "Darwin -pris" -lenke, for å eliminere seg selv fra genbassenget?

Bilde 1. Tegning ytre og indre øre

"Vi faller alle ned"
Uten en rekke beskyttelsessystemer for å forhindre alvorlige skader fra fall, ville noen menneskelige forfedre overleve til pubertet? Babyer faller, som foreldre vet, men de holder til nærmere bakken og beholder en god del dempende kroppsfett til de mestrer kunsten å gå på to ben. Pre-pubertale ungdommer risikerer allerede å falle; I tillegg har de en tendens til å opptre tåpelig og være mer energisk. Den forenklede 'liksom fortellingen' om aper som stiger ned fra trærne og lære å gå oppreist på bakken (Savanne-hypotesen) skulle ende med barnehagens rim, "Vi faller alle ned."

Heldigvis har vi en slik pakke med verneutstyr. Glicksman diskuterer en finjusteringsspesialisering, myelinskjeden som omslutter mange nevroner i sentralnervesystemet. Myelin fremskynder nevral overføring med en faktor på hundre, og gir oss tid til å svare på tap av balanse. En annen bemerkelsesverdig spesialisering finnes i mellomøret: det vestibulære apparatet, bestående av utrikler, sakkuler og halvsirkelformede kanaler. Disse balanseorganene informerer hjernen raskt, og gir oss dyrebare brøkdeler av et sekund for å prøve å fange oss selv. Med den ekstra tiden kan vi bevege føttene, knærne, armene og hendene for å unngå å treffe bakken, ta tak i noe med hendene, eller hvis vi ikke kan stoppe, kan vi rulle over på siden, for å absorbere sjokket. Suksessen med disse beskyttelsene kan sees i gymnaster, tenåringer på skateboards, spesialister i parkour eller eksperter på enhver høyhastighetssport som gjør raske justeringer i trekk som ellers ville være ødeleggende eller dødelige.

Bilde 2. Skisse mellomøret

Raskeste signaler i kroppen

Fysiologer har undret seg over hurtigheten av nevronene i de vestibulære organene - det raskeste i kroppen - men forsto ikke hvordan de fungerer. En ny artikkel i Current Biology -lenke, bemerker at disse nevronene er ordnet med "fødselsdato" på en ryddig måte, og gir dem en "tidligere skjult funksjonell topografi." Dette betyr at "retningsbestemt selektivitet til kroppsvinkel fulgte somatisk -stilling og fødselsdato."

Samlet sett finner vi at utvikling avslører organisering innen det vestibulære hjernestammen, dens perifere innganger og dens motoriske utganger (figur 7). Vi foreslår at tiden spiller en kausal rolle i bestemmelse av lagnad, topografisk organisering og i forlengelsen vestibulær krets-dannelse. Våre data antyder mekanismer for projeksjon av neuron skjebne spesifikasjon. Mer bredt gir funnene våre innsikt i hvordan tid former virveldyrs sensor-motoriske kretsløp.
Et team av forskere fra Rice, Yale og University of Chicago, som publiserte i PNA -er -lenke, så nærmere på synapsen i vestibulære nevroner og fant at de var unikt designet for rask respons. De fleste nevroner overfører elektriske signaler på tvers av synapser med nevro-transmittere i det som kalles "kvantal-overføring" (QT). QT har en iboende forsinkelse ettersom informasjonen krysser et synaptisk gap. Vestibulære nevroner fungerer derimot med "en mystisk form for elektrisk overføring som ikke involverer gapskryss, kalt ikke -kvantal overføring (NQT)."

Bilde 3. Hjerneområder med ulike funksjoner (forenklet)

-Evnen til det vestibulære systemet til å drive de raskeste refleksene i nervesystemet avhenger av rask overføring av mekanosensoriske signaler ved vestibulære hårcellesynapser. Hos pattedyr og andre amnioter danner afferente nevroner uvanlig store kelaksterminaler på visse hårceller, og kommunikasjon ved disse synapser inkluderer ikke -kvantal overføring (NQT), som unngår den synaptiske forsinkelsen av kvanteringsoverføring. Vi presenterer en kvantitativ modell som viser hvordan NQT avhenger av omfanget av calyx som dekker hårcellen og tilskriver den korte latensen til NQT til endringer i synaptisk spalte elektrisk potensial forårsaket av strøm som strømmer gjennom åpne kaliumkanaler i hårcellen. Denne mekanismen for elektrisk overføring mellom celler kan virke ved andre synapser.

Hårceller utfører mekano-transduksjon - overføring av mekanisk energi til elektrisk energi. Når de bittesmå hårene blir avledet, utløser de strømmen av ioner fra den omkringliggende væsken, kalt endolymf, inn i den tilstøtende cellen, og utløser et ionisk tog som reiser nedover nevronene. Hårcellene i cochlea utfører mekano-transduksjon for hørsel. Hårcellene i utrikler "driver nevrale kretser som kontrollerer blikk, balanse og orientering."
Det som er unikt med en vestibulær hårcelle, er den store nisserfor-formede kelaksen som omgir basen. Det var her den raske "ikke -kvantale" mekano-transduksjonen ble forstått å oppstå, men mekanismen var ukjent.

Bilde 4. Utsnitt fra hårceller

Hvordan det fungerer
I motsetning til normale synapser mellom nevroner, trenger ikke vestibulære hårceller å krysse et gap -veikryss, der den elektriske energien må konverteres til kjemisk energi og tilbake igjen. I et synapse pakkes signalet "kvanta" ved eksocytose av vesikler som inneholder nevro-transmittere. Hver pakke må krysse synapsen, og bli absorbert på nytt ved endocytose i nevronen. I vestibulære hårceller har calyx -strukturen derimot en veldig smal "synaptisk spalte" mellom hårcellekroppen og nevronen som "ikke involverer verken eksocytose av pakker (vesikler eller kvanta) av nevrotransmitter eller gap -veikryss." Dette reduserer latensen ved 'veikryss' og fremskynder den elektriske impulsen på vei til hjernen.
En avbøyning av bare 1 mikrometer (en milliondel av en meter) i hårcellen er tilstrekkelig til å utløse en respons. Fordi den synaptiske spalte er foret med kalium- og natriumkanaler, kan flere kanaler i den koppformede kelaksen svare samtidig på endringen i elektrisk potensial.

-Den synaptiske spalte er et dynamisk system der elektriske potensialer, ionekonsentrasjoner og ioniske strømmer samhandler. Endringene i spalte elektrisk potensial og ionkonsentrasjoner vist i fig. 2 er drevet av strømmer gjennom spenningsfølsomme ionekanaler ... på hårcellens basolaterale membran og på kelaksens indre ansikt, og modulerer igjen disse strømningene (fig. 3). NQT er toveis: vi beskriver først rollene til nøkkelkanaler under anterograde (hårcelle til calyx) NQT og diskuterer senere retrograd (calyx til hårcelle) NQT.
Beskrivelsen blir tilsvarende "hårete" i denne delen av papiret. Forfatterne diskuterer signalforsterkning, frekvensrespons, elektriske potensialer, spenning, motstand, kapasitans og andre begreper som får artikkelen til å virke som om det hører til under elektroteknikk i stedet for biologi. Det er nok å si at det skjer mye raskt, med tilbakemelding fremover og bakover.

Bilde 5. Kanaler basert på ulik elektrisk spenning

-Disse resultatene indikerer at raske retrograd hendelser sett i elektrofysiologiske registreringer av hårcellen og calyx er forårsaket av endringer i elektrisk potensial i den synaptiske spalte. Det har blitt antydet at toveis naturen til NQT, som vår VHCC -modell fanger opp, kan brukes til å modulere følsomheten til både calyx og hårcellen.
Et sentralt poeng er at NQT avhenger av morfologien til kelaks. En annen ting å huske på er at det "store antallet" ionekanaler som danner den synaptiske spalte i kelaksen er fantastisk kompliserte i seg selv: K+ -kanaler, Na+ -kanaler og Ca2+ -kanaler. Hver type inkluderer et selektivitetsfilter som kan diskriminere de nano-skopiske ionene som blir tillatt gjennom dem. Deres plassering i både antall og orientering langs den synaptiske kløften, er dessuten ytterligere funksjonelle krav for å oppnå den raske responsen, slik at organismen ikke bryter hodeskallen når den plutselig mister balansen. Systemets hurtighet kan verdsettes ved å se en skøyteløper som bryter et svimlende spinn eller setter landing fra en trippel lutz.

Et spørsmål om opprinnelse
Det er sant at alle aminoter, inkludert fisk, amfibier og pattedyr, inneholder kelaksstrukturen i deres vestibulære organer. Det er ikke unikt for bipedale som mennesker. En evolusjonist må anse dette som en "pre-design" for at Bipedale og kunstløpere, som skulle komme hundrevis av millioner av år senere. Rob Raphael, hovedforfatteren ved Rice for artikkelen, spekulerte i at kelaksen
-er et eksempel på hvordan evolusjon driver morfologisk spesialisering. Et overbevisende argument kan fremmes at når dyr dukket opp fra havet og begynte å bevege seg på land, svinge i trær og fly, var det økte krav til det vestibulære systemet for raskt å informere hjernen om posisjonen til hodet i rommet. Og på dette tidspunktet dukket Calyx opp.

Bilde 6. Cellen -eks. på pre-design

"Calyx dukket opp"! En mer magisk forklaring kan knapt bli fremstilt. Argumentet kan være overbevisende for Dr. Raphael, men kan det antas at behov skaper løsninger på egen hånd? Fisk er ikke i fare for å falle, så hvor var det selektive presset for å utvikle NQT? Innkalte en amfibie kosmiske stråler for å treffe kimcellene helt rett, for å starte utviklingen av ikke -kvantal overføring i avkommet? Menneskelige ingeniører kan observere behov og bygge løsninger, men for å forvente at et flerdelt, ikke-reduserbart komplekst stykke ekstremt effektiv elektroteknikk til å "utvikle seg" med ren dum flaks bare fordi et dyr kan ha nytte av det, strekker troverdighet. Hvis noe, det forfatterne beskriver representerer overdesign -et konsept som er fremmed for darwinisme, som mangler framsyn.

Den vanlige implementeringen av Calyx NQT blant forskjellige dyr, er ikke bevis på felles avstamning. Hvert dyr kunne i stedet glede seg over det delte designet tilpasset den spesielle livsstilen. Forfatterne bemerker at større kalykser reduserer forsinkelse og observerer at "kalykser varierer i sin form i forskjellige regioner av amniote vestibulær epitel." Ikke hvert dyr trenger den menneskelige spesifikasjonen. ID -talsmenn vil kanskje undersøke skreddersøm av kalykser til livsstil.
For de av oss som ikke ser på evolusjonære forklaringer, er NQT et annet livreddende under, som de fleste av oss sannsynligvis aldri har hørt om før. Glicksman sier at nevrale reflekser reiser på 320 km/timen i ryggraden, slik at vi kan reagere på 0,01 sekunder - 50 ganger raskere enn et fall. Bevissthet om tap av balanse begynner med ikke -kvantal overføring i utrikkelen.

Bilde 7. Balanseevne krever en forklaring

Våre vestibulære organer er bittesmå vidundre i hodene våre som holder oss i balanse og orientert i 3D-rom og tid. De jobber feilfritt mesteparten av tiden for opptil et århundre eller mer. Hvor mange ganger har du testet dine vestibulære organer: svømming, ridende rulleskøyter, hopper, rockehopping over en bekk, gjør håndstand eller driver med sport? En episode av Vertigo akkompagnert av et smertefullt fall er nok til å grøsse over det som ville være normen, uten at disse bittesmå organene fungerer ordentlig. Det forbløffende er ikke at disse systemene begynner å avta i alderdommen, men at de noen gang har fungert i utgangspunktet.

David Coppedge er frilansvitenskapelig reporter i Sør -California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden det er grunnlegger og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini -oppdraget til Saturn, til han ble pushet ut i 2011 for å dele materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt offentliggjort rettsaken i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en enslig dommer dømte mot ham, uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i naturfagundervisning og i fysikk og gir presentasjoner om ID og andre vitenskapelige fag.

Bilde. David Coppedge