Abstract
Bakgrunn
Levende systemer bruker informasjon og energi til å opprettholde stabil entropi mens langt fra termodynamisk likevekt. De underliggende første prinsippene er ikke fastslått.
Funn
Vi foreslår at stabil entropi i levende systemer, i fravær av termodynamisk likevekt, krever en informasjons ytterpunkt (maksimum eller minimum), som er invariant til første ordens forstyrrelser. Spredning og død representerer viktige tilbakekoblingsmekanismer som fremmer stabilitet selv i en ikke-likevekt tilstand. Et system flytter til lav eller høy informasjon avhengig av energistatus, som nytte av informasjon i å opprettholde og øke ordre balanseres mot sin energikostnader. Prokaryoter, som mangler spesialiserte energiproduserende organeller (mitokondrier), er energi begrenset og begrenset til et informasjons minimum. Kjøpet av mitokondrier blir sett på som en viktig evolusjonære skritt som, ved å la eukaryoter, for å oppnå en tilstrekkelig høy energitilstand, tillates en faseovergang til en informasjons maksimum. Denne tilstand, i motsetning til den prokaryote minima, tillot utvikling av komplekse, flercellede organismer. Et spesielt tilfelle er en ondartet celle, som er modellert som en faseovergang fra et maksimum til minimum informasjon tilstand. Minste fører til en anslått power-lov som regulerer
in situ
vekst som er bekreftet av studier som måler veksten av små brystkreft.
Konklusjoner
Vi finner levende systemer oppnå en stabil entropisk tilstand ved å opprettholde en ekstrem grad av informasjon. Den evolusjonære divergens av prokaryoter og eukaryoter resultat av oppkjøpet av spesialiserte energiorganeller som tillot overgangen fra informasjon minima til maxima, henholdsvis. Karsinogenese representerer en omvendt overgang: av informasjons maksimum til minimum. Den progressive tap av informasjon er tydelig i akkumulere mutasjoner, uordnede morfologi og funksjonelle nedgang karakteristikker av kreft hos mennesker. Funnene tyder på energibruken er et viktig første skritt som utløser de genetiske mutasjoner som driver somatisk utvikling av ondartet fenotype
Citation. Frieden BR, Gatenby RA (2011) Informasjon Dynamics i levende systemer: Prokaryoter, eukaryoter, og kreft. PLoS ONE 6 (7): e22085. doi: 10,1371 /journal.pone.0022085
Redaktør: Matej Oresic, Governmental Technical Research Centre of Finland, Finland
mottatt: 25 mars 2011; Godkjent: 15 juni 2011; Publisert: 19.07.2011
Copyright: © 2011 Frieden og Gatenby. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Dette arbeidet er støttet av National Cancer Institute stipend 1U54CA143970-01. Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Alle levende systemer (i) har en lokal domene som er avgrenset av, for eksempel, en cellemembran, og (ii) opprettholde et stabilt, lavt nivå av entropi eller lidelse. De 2
nd termodynamiske loven krever entropi å øke med tiden, men dette er av spesielt global natur. Derfor egenskap (i) av lokaliteten tillater systemet å ha den fordelaktige egenskap (ii) av lav entropi. I kompensasjon, krever to
nd lov lokalt lave entropi være ledsaget av eksport av en enda større mengde entropi inn systemets ytre miljø. Faktisk er denne egenskapen ikke unikt for levende systemer – krystaller, stjerner og planeter også representere lokalt bestilt strukturer. Men levende systemer fra andre bestilte strukturer i naturen ved at de
ha regelmessige interne entropi bakker med svært bestilt strukturer som cellemembranen og kromosomer, ispedd mye mindre bestilt komponenter som cytoplasma;
opprettholde stabil, lokal entropi ved hjelp av ekstern energi langt fra termodynamisk likevekt,
er i stand til selv replikering;
lagre og bruke informasjon i form av genetiske koder og eventuelt andre bestilte intracellulære strukturer.
dø
Derfor, i korte levende systemer er lav (men ikke minst) entropi tilstander som forblir stabil til tross for å være langt fra termodynamisk likevekt. Denne stabiliteten krever informasjon for å opprettholde interne mekanismer som effektivt omdanner energi på bestilling. Spredning og død gi positive og negative tilbakemeldinger som gjør at systemet for å opprettholde stabilitet selv om langt fra termodynamisk likevekt.
Vi har tidligere demonstrert [1] som informasjon i en biologisk sammenheng kan sees som evnen til å lette arbeidet . Nærmere bestemt retning og den og katalyserer omdannelsen av energi og substrat fra omgivelsene inn i spesifikke makromolekyler som, i sin tur opprettholde den ordnede struktur av cellen. For eksempel, kan informasjonen i DNA som spesifiserer strukturen til proteiner. Noen proteiner kan fungere som enzymer i energiomsetningen eller lipid syntese. Andre makromolekyler spontant selv montere inn høyere orden, lav-energi, strukturelle komponenter i cellen, slik som proteiner som danner ribosom eller lipider som danner membraner.
Denne sentrale rollen av informasjon i å opprettholde et levende system er unikt i naturen og kan i seg selv representere den mest konsise mulig definisjon av livet. En kvantitativ metriske system «ordre» eller «kompleksitet» er «Fisher informasjon «[1] – [9] (de er alle proporsjonal, som nedenfor). Konseptet har blitt brukt i stor utstrekning til å leve og ikke-levende systemer. Her er vårt mål å undersøke informasjons dynamikken som
i fravær av termodynamisk likevekt
, tillater dannelse og utholdenhet av lokale lommer hvor lidelse er betydelig mindre enn for omgivelsene. Disse lokale lommer blir sett på som levende systemer.
Metoder
To postulater av levende systemer
Lokale økninger i orden kan oppstå i ikke-levende systemer som krystaller. Men disse fysiske systemer alltid bevege seg mot en stabil termodynamisk likevekt tilstand av lav entropi og energi. I kontrast med krystaller, levende systemer opprettholde en stabil tilstand med lav entropi som er langt fra termodynamisk likevekt. Viktige systemparametere som tillater stabiliteten i levende system er informasjon og energi. Sistnevnte må strømme inn i cellen og deretter omdannes til rekkefølgen gjennom interaksjoner med den førstnevnte. Men foreslår at levende systemer fundamentalt må balansere fordelene av økt informasjon og kompleksitet med kostnadene ved å anskaffe og vedlikeholde denne informasjonen. Dermed levende systemer oppnår ikke den lavest mulig entropi tilstand, men snarere en entropi nivå som muliggjør spredning innenfor rammen av tilgjengelig informasjon og energi [se ligningene. (2a, b)].
Den foregående foreslås anvendelse av Fisher informasjon, som er et mål på entropi og orden (se nedenfor), og en indikator for energikostnad, kan anvendes for å uttrykke de første prinsipper termodynamikken for levende systemer, som følger:
levende systemer er ikke-likevekt åpen, men lokalt avgrenset, termodynamiske systemer som bruker informasjonen til å konvertere miljø energi for å bestille. Overlevelse av en levende struktur krever en stabil tilstand av orden til tross for kontinuerlige termiske og mekaniske forstyrrelser. Den raske (i geologisk tid) utseende av liv på jorden og dens holdbarhet siden første vises i fossilene viser at levende systemer representerer en svært gunstig tilstand som kan utvikle seg spontant og holde seg stabil og robust til tross for et bredt spekter av forstyrrelser i løpet av milliarder av år .
stabiliteten i et levende system krever sin informasjonsinnhold skal opprettholdes på et ytterpunkt. Siden deres første deriverte er 0, ytterpunkter i systeminformasjon dynamikk tendens til å være stabil til førsteordens system forstyrrelser. Vi foreslår robustheten levende systemer er presumptive bevis på at informasjonen tilstand er enten et minimum eller maksimumsverdi [Se spesielt materiale etter Eq. (1)]. Dette vil ses å kreve en balanse mellom tilgjengelighet og pris på den energi i miljø substrat av systemet. De ekstreme verdier manifesterer biologisk slik:
Prokaryoter. Energien Tilgjengeligheten av prokaryoter er begrenset av deres miljømessig substrat og fravær av spesialiserte energiproduserende organeller. Begrenset energi tilgjengelighet begrenser systemdynamikk, slik at informasjonen som vi så, må opprettholdes på et ytterpunkt, kan bare opprettholdes på sitt
minimum
verdi. Dette minimumsnivå tilfredsstiller kravet I.
eukaryoter. Eukaryoter utnytte spesialiserte organeller for energiproduksjon inkludert kloroplaster og mitokondrier. Disse slipper energi begrensninger som hadde begrensede prokaryoter til et informasjons minimum. I denne tilstanden, er informasjonen holdes på et
maksimal
. Det vil si, når energi er rikelig, til fordel for økt informasjon og orden overstiger den ekstra kostnaden. Denne informasjonen fase endringer gjenspeiles i den økte størrelsen på cellen og antall gener i forhold til prokaryoter, samt påfølgende evolusjon til komplekse, flercellede organismer [10].
Postulater i og II er grunnlaget for vår tese om at Fisher informasjonen gir en blåkopi for vekst og utvikling av liv. Intuitive og motiverende grunner bak bruken av disse ekstreme effekter er gitt senere. Men først, hva er Fisher informasjon?
Fisher Informasjon
Betrakt et system med en karakteristisk parameter der verdien er søkt av analyse av data. Dataene brukes til å danne en matematisk estimat av parameteren. Informasjonen ble opprinnelig definert av R.A. Fisher [11] som et mål på kvaliteten av data om parameteren. Egenskaper av Fisher informasjon er utviklet i støttemateriale. Blant disse er det «lokale» natur og skift-invariant form, med sannsynlighetstetthet loven definerer systemet med et koordinatsystem. Generelt, avhenger av arten av av anvendelsen, men i vår er en stilling. Senest [9], har vist seg å være en egenskap ved systemet også, å måle nivået av «orden» og «kompleksitet. «
Resultater
Anskaffelse Stabil Entropy
en ekstrem tilstand i et dynamisk system, fordi den representerer et maksimalt punkt på kurven, og har en første deriverte av 0 og er, ved definisjon, stabil til første-ordens forstyrrelser, f.eks på grunn av ytre faktorer som temperatur tilfeldig forskyvning. Derav et levende system som er i en tilstand av ekstrem Fisher informasjon, enten et maksimum eller et minimum,
tjener en fordel av stabilitet
. Dette har en tendens til å holde det i stallen entropic tilstand som, som vi foreslo, gjør livet til å vedvare.
En ekstrem verdi på
I
stabiliserer
H
.
Denne stabiliteten eiendommen er lett vist, for eksempel, for det brede spekter av sannsynlighetslover som er medlemmer av den eksponentielle familie [12] (se Hjelpemiddel Information). Det entropi og Fisher informasjon hold [13], henholdsvis, og. Eliminere mengde mellom dem gir (1) etter å ha tatt en differensial. Siden ved ekstreme løsninger da likeså. Det vil si,
et minimum eller maksimum Fisher informasjon tilstand stabiliserer entropi plakater (selv om den interne økningen kan likevel være begrenset, ved (2a) nedenfor). Dette resultatet tydeliggjør behovet for hver stabil, levende system for å oppnå en ekstrem grad av Fisher informasjon, enten maksimum eller minimum.
Fisher jeg Begrenser Entropic Endre
Vurdere en celle av masse
m Hotell og temperatur
T
frakt entropi utenfor sitt miljø med en hastighet
dH /dt
. Vi har tidligere demonstrert [2] at det er en øvre grense for den entropi endringen
dH
, og dette er avhengig av graden av Fisher informasjon i systemet. Forholdet er, med definert i ligning 2a. Det er lærerikt å kombinere dette med den grunnleggende entropi-energi forhold, noe som gir disse forskjellene har to konsekvenser, avhengig av om energi entropi priser eller informasjon er løst:
For en fast rente på entropi tap
energi endring av entropi-energi forhold, den minste mulige verdien av informasjonen adlyder (2a) der
k
er Boltzmanns konstant. Disse viser at en celle med en lav-begrenset energiforbruk rente, og resultingly lav entropi tap rate, kan bare opprettholde et minimum av informasjon eller for
I
. Vi foreslår at denne tilstanden er manifestert av prokaryoter, en form for liv med relativt lav ordre eller kompleksitet.
Eller, vurdere
et fast nivå av informasjon
. Ovennevnte ulikheter kan omarbeides som (2b) Vi har allerede anses tilfeller av minimal
I
. Disse er beskrevet prokaryoter. Betrakt nå det motsatte tilfelle, nemlig høy, det vil si høy orden, kompleksitet og funksjon. EQS. (2b) viser at, da, selv de minste mulige priser entropi tap og nødvendig energitilførsel er høye. Prisen som betales for å opprettholde en tilstand av høy orden og resultingly stabil entropi er mye større nødvendig energiutnyttelse. Denne tilstanden, vi foreslår, er opprettholdt i eukaryoter, og manifestert ved store genomer og utviklingen av multicellularity.
Dermed den gjensidige avhengigheten mellom energi og entropi gir innsikt i overgangen fra lav kompleksitet livsformer til høy kompleksitet former. Det er også i overensstemmelse med forslagene som anskaffelse av mitokondrier, ved å tilveiebringe en ny kilde for energi, var den kritiske faktor i evolusjonær overgang fra prokaryoter til eukaryoter. Det kan også gi innsikt i den omvendte overgangen som er typisk manifestert under kreftutvikling.
Er informasjon og «Order» Synonymt?
Vi bruker ordene «orden» og «informasjon» om hverandre. Som nylig funnet [9]:
Tenk et system definert av en sannsynlighet lov. Dens grad av orden varierer lineært med sitt nivå av Fisher informasjon
I
, dvs. rekkefølgen (3) Her er det antall systemdimensjoner og er dens maksimale en endimensjonal forlengelse. Den første likestilling gjelder generelt. Den andre har i det konkrete tilfellet av en sannsynlighet lov
p Hotell som er en kvadratisk sinusoid inneholder Wiggles i hver dimensjon. Den kvadratiske (sterk) avhengighet indikerer som måler nivået av systemet
kompleksitet
også.
Både orden og informasjonen er entropies, i betydningen av tiltak av system organisasjon som redusere med tid. Dette definerer dermed en pil av tid, kanskje kvantifisere den mye omtalte biologiske pilen tid.
Strukturen av celler og dets komponenter optimalisere informasjon og bestilling
Bestill Nødvendig for Forskjellig Polymer States .
Eq. (3) indikerer at et tilfelle av en lineær informasjonsstruktur (slik som den som er kodet i sekvensen av aminosyrer av DNA, RNA og proteiner) krever egen mindre rekkefølge (og, ved den foregående, mindre energi) for å opprettholde sin form gjør enn en cellemembran, med. Og dette krever mindre energi enn orden eller en sammensatt celle, av dimensjon. Dermed opprettholde systemer av høy orden og kompleksitet egentlig krever celle tilstander av både høy dimensjonalitet og ved Eq. (2b), energiressurs hastighet
Krav om ikke-uniform cellestruktur
I motsetning til krystaller -.. Som har relativt ensartet for hele – levende systemer er heterogene og dynamisk. Således vil til og med en enkel prokaryot ha et høyt organisert grense (det vil si cellemembranen og celleveggen), men en relativt uordnet sentral struktur (væsken cytoplasma) som også inneholder mange høyt organisert store molekyler som proteiner, DNA og RNA. Med andre ord, dynamiske egenskaper av cellene ser ut til å kreve romlige variasjoner i rekkefølge, f.eks i overgangen fra den ordnede cellemembranen til den forholdsvis uordnede cytoplasma, for å opprettholde en stabil tilstand langt fra likevekt. Argumentet er som følger:
En informasjonsgrunnlag for Mitosis
En unik egenskap ved levende systemer er deres evne til å kopiere seg selv, og dermed termodynamikk i livet må inkludere denne prosessen.. Faktisk, mitose og død representerer viktige tilbakekoblingsmekanismer som optimaliserer systemparametere slik system stabilitet selv mens langt fra termodynamisk likevekt. Vurdere en «mor» celle utvikler seg i et miljø med begrenset energi. En stabil levende system krever
dH /dt = 0
, og hvis
dH /dt
0 det vil forsvinne og dø. Men, hva hvis
dH /dt
0? Etter hvert som tiden skrider frem, vil kompleksiteten og rekkefølgen av dette systemet øker. Men ligningene. (2b) viser at jo høyere orden
I
er høyere er forekomsten av entropi tap og nødvendig energigevinst
dE /dt
fra omgivelsene. På den annen side, kan omgivelsene bare gi en begrenset energi rate, kaller det (
dE /dt
)
0. I hvilken grad kan bestille vokse i cellen? Den første Eq. (3) gir et svar.
Som et fungerende celle vokser, så gjør sin kompleksitet
I
og ved Eq. (3), ordrenivå
R
Så det gjør det nødvendig minimum energiforbruk rate (
dE /dt
). Imidlertid er denne frekvensen uunngåelig begrenset av cellemiljøet til en viss maksimal verdi (
dE /dt
)
0. La cellen for
R
vokse inntil den når et nivå
R
0
, hvor det nødvendige nivået (
dE /dt
)
min
lik (
dE /dt
)
0. Deretter vekst utover nivået
R
0
kan ikke opprettholdes av tilgjengelig energi. På dette punkt er cellen deler i to, med hver «datter» som inneholder de samme sett av gener som moren. Derfor hver datter har den samme informasjonen nivå
I
som gjorde moren. På den annen side, som hver er av lengde
L /2
, slik at ved Eq. (3) hvert nivå av orden er redusert, til verdi
R = (1/4) R
0
. Dette nivået kan igjen bli møtt av miljø rate (
dE /dt
)
0. Derfor nå de to døtrene kan starte videre vekst i kompleksitet; etc. Mitose løser problemet.
Verdien av døden.
I motsetning til andre stabile strukturer i naturen, levende systemer dø. Klart krystaller og andre bestilte strukturer brytes ned til komponentdelene, men siden de er i likevekt, denne prosessen er langsom. Levende systemer, men er stabilt langt fra likevekt, slik systemsvikt vil resultere i en hurtig faseovergang til likevekt. Død, det vil si, representerer en faseendring fra ikke-likevekts til likevekt.
Det er tidligere blitt bemerket at alle systemer langt fra likevekt er iboende ustabil. Vi foreslår levende systemer ville være like så uten to viktige tilbakekoblingsmekanismer – mitose og død. Belønningen for suksess ved spredning og straff for unnlatelse av døden gir sterkt lokalt utvalg for optimalisering av de underliggende termodynamikk. Evolusjon således ikke komme ut av biologi. Snarere er det en nødvendig forutsetning for eksistensen av levende systemer.
Maksimal Fisher Informasjon
Et aspekt av informasjon som ikke er ofte nevnt er kostnadene. Det vil si at informasjonen i sin lagring, kopiering og utnyttelse krever forbruk av energi. Som indikert i ligning. (2a), begrenser lokal informasjon nivå eventuell gevinst i Shannon entropi med tiden.
Forebygging
av en slik gevinst, dvs. å opprettholde en stabil tilstand av orden, krever forbruk av energi i samsvar med Eq. (2b). Således vil høyere nivåer av informasjon krever et økt forbruk av energi for å opprettholde en stabil tilstand av orden. Som nylig bemerket [10], eukaryoter opprettholde en tilstand av høy energi ledig (i forhold til prokaryoter) først og fremst på grunn av utviklingen av mitokondrier. Disse cellene oppnå en optimal art fitness [6] ved å oppnå en høy, faktisk
maksimal
,
nivå av orden og informasjon
(se også Eq. (3)).
Dermed kan energisk status for eukaryoter dem for å vedlikeholde informasjon maksimum. Dette er ekvivalent med å maksimere kompleksitet og [9], og er manifestert ved en betydelig økning i størrelse og antall genet i eukaryoter vs. prokaryoter. I tillegg har tidligere studier ved å bruke EPI-prinsippet (vedlegg S1) undersøkte de forventede konsekvensene av et system som er på et informasjons maksimum.
Minimum Fisher Informasjon
I motsetning til prokaryoter har ingen spesialisert metabolske organeller slik at energi oppkjøp er begrenset til underlaget tilgjengelig i nærmiljøet. I slike energi begrenset systemer, blir informasjon minima oppnådd som stabil oppløsning. Disse faktisk skje i kontrast scenarier av enten høy eller lav, næringsressurs som diskutert neste. Hva masse vekst lover i tid beskrive slike systemtilstander? Merk at
p (t)
er, generelt,
relative
forekomsten av en gitt type celle i et organ. Hvis, for eksempel, på tidspunktet
t
en svulst okkupert ¼ av et organ deretter
p (t)
for kreftceller er 0.25. Ved store talls lov [13], er dette også sin
sannsynlighet
av forekomsten på en enkelt observasjon. Derfor, i en kreft orgel
p (t)
er den relative massen av det organ som er kreft på den tiden
t
, slik at ved store talls lov er det også sannsynligheten lov for å finne en kreftcelle i orgelet på en gang
t
.
løsningen for avhengig av tilgjengeligheten av nærings ressurs. For
in vitro
tilfeller av kreft, eller prokaryoter, nyter tilnærmet ubegrenset ressurs minimering er ubegrenset med unntak av normalisering. Dette gir opphav [2] til midlertidig eksponensielle vekst lover konst.
Cancer som informasjons overgang fra et maksimum til et minimum
Vårt sentral hypotese er at stabiliteten av den termodynamiske tilstand av et levende system må få informasjonen tilstand for å være ved et ytterpunkt. Overgangen fra prokaryote til eurkaryote livsformer representerer en fase overgang fra minimum til maksimum tillatt av økt energi tilgjengelighet grunnet oppkjøpet av mitokondrier. Vi foreslår at den trinnvise endringen fra normale celler til kreft (karsinogenese) representerer en reversfaseendring i hvilken informasjon tilstandsoverganger fra et maksimum til et minimum. Denne «informasjonen katastrofe» er manifestert som følgende:
Genomisk ustabilitet
Opphopning av flere genetiske mutasjoner er universelt observert i kreft.. Det er anslått at typiske kreftceller inneholder tusenvis av genetiske endringer sammenlignet med celler av opprinnelse. Faktisk er det ofte foreslått at mutator fenotype (dvs. celler som er i stand til å reparere DNA eller kromosom reproduksjon feil, og derfor har en svært høy mutasjonsraten) er nødvendig for å danne en kreft [14].
Cellular og vev lidelse.
En kreftcelle karakteristisk utstillinger redusert funksjon og uordnede morfologi sammenlignet med normale celler opprinnelsesland. Tilsvarende vev består av kreftceller mister strukturell orden (dedifferentiation og dysplasi) og normale vekstbegrensninger.
Manglende evne til å måle tid.
Et kjennetegn [15] av kreftceller er udødelighet, slik at deres spredning er upassende, både innenfor rammen av vev dannelse og deres alder. Telomerer er små deler av DNA som ved slutten av hvert kromosom at forkorte hver gang en normal celle gjennomgår mitose. På denne måte kan cellen kan «vet» sin alder og etter å ha nådd begynnende alderdom undergår programmert død. Men kreft vanligvis mangler dette tiltaket av aldring.
Informasjon tap og klinisk kreft vekst
Vi har tidligere vist at hypotesen om at kreftceller asymptotisk nærme seg en informasjons minimum tillater prediksjon av vekstdynamikk. Spesielt fant vi at
in situ
veksten lov av noen bestander på et informasjons minimum (dvs. enten prokaryote eller en kreftcelle) er en enkel power law, der er en konstant som er hensiktsmessig for celletype [2], [7], [8]. Modellen predikerer at for kreft vekst, α≈1.62. Denne forutsigelsen ble sammenlignet med veksten av små brystkreft ble funnet i løpet av screening mammografi når tumoren kunne observeres i ettertid på to eller flere tidligere studier. Syv uavhengige studier funnet at kreftfremviste power law vekst med en middelverdi på α = 1,72 (0,23) som er lik den observerte in vivo vekst av bakterier med α≈2 [16] -. [22]
Hvorfor kreft utvikler? – Warburg revisited
Hvis kreft representerer et informasjons fase endring fra et maksimum på et minimum, må vi også ta opp systemdynamikk som driver en slik overgang. Vi har argumentert for at utviklingen av eukaryoter ble tillatt av oppkjøpet av bedre energidynamikk som tillot en faseendring til et informasjons maksimal tilstand. Vi må konkludere med at, siden en celle energi status dikterer hvilken ekstrem – maksimum eller minimum – er favorisert, er det et tap av energi i en stamcelle som starter kreftutvikling. Nærmere bestemt må tapet føre energi begrensning slik at cellen ikke lenger kan opprettholde, med stabilitet, en tilstand av maksimal informasjon. I stedet kan det bare vedlikeholde med stabilitet staten
minimum
informasjon som er karakteristisk for kreft. Dette betyr ikke uenig med standardmodellen for kreftutvikling, som foruts kreft er initiert av mutasjoner. Imidlertid tyder vår modell at slike mutasjoner er en manifestasjon av den nedbrytning av informasjonen som resulterer fra den kraftdrevne faseovergangen fra et maksimum til et minimum. Således, mens genom mutasjoner kan føre til fenotypiske egenskaper som tillater ubegrenset vekst,
vår modell antyder at initiering av mutasjons sekvens som gir opphav til kreftutvikling er et resultat av en ervervet energi begrensning
.
Selv om dette synet er klart i strid med den konvensjonelle modellen for kreftutvikling, er det ikke enestående. Den «Warburg hypotesen» slås at innledende hendelsen i kreft var et tap av mitokondriefunksjon [23]. Vår tidligere arbeid har [24], [25] bemerket at energiproduksjon i premaligne svulster kan være begrenset av miljø hypoksi (som følge av for eksempel kronisk betennelse) og at dette kan være et viktig skritt i overgangen til invasiv kreft. Til slutt er det interessant at rollen mitokondriell dysfunksjon i både aldring og kreft er i dag et tema for mye forskning interesse. [26], [27].
Diskusjoner
Den raske utviklingen av levende systemer i den geologiske posten og deres kontinuerlige tilstedeværelse over 3,5 milliarder år indikerer liv representerer et svært gunstig termodynamisk tilstand. Levende systemer er både bemerkelsesverdig stabil og likevel i stand til å utvikle stadig mer komplekse (eller bestilles) sier med tiden. Vi foreslår en modell som eksplisitt inkluderer informasjon dynamikk i systemet termodynamikk kan forklare disse egenskapene [2] – [5], [7]
Ideen om søker en tverrfaglig variasjonsprinsippet som kunne forutsi både fysisk. og biologiske effekter ble foreslått noen 40 år siden av befolknings biologer Crow og Kimura [28] og, enda før dem, ved Delbruck [29]. Flere nylig, fysikeren E.T. Jaynes [30] foreslått et prinsipp om maksimum entropi for å utlede alle statistiske lovene i naturen.
Våre modellvisninger levende systemer som en stabil, lav entropi stat som er likevel langt fra termodynamisk likevekt. Entropien av levende systemer ikke (i motsetning til, for eksempel, krystaller) representerer den lavest mulige verdi av ordre for dette systemet. Snarere opprettholder liv en «Goldilocks» state of entropi (ikke for mye og ikke for lite) som gir en optimal termodynamisk tilstand slik at stabilitet og selvtillit reproduksjon. Død og spredning er kritiske tilbakekoblingsmekanismer som optimaliserer systemparametere for å tillate stabilitet selv når ikke ved likevekt.
Denne stabiliteten krever bruk av informasjon for å konvertere miljøenergi til intracellulære orden. Vi foreslår det første prinsippet om levende systemer er en avveining mellom (i) den interne informasjonen som trengs for å konvertere miljø energi og underlaget i orden, og (ii) kostnadene ved lagring og bruk av det nivået av rekkefølgen. Det er, selv innenfor «Gullhår» spekter av entropi som er kompatibel med livet, høyere nivåer av orden vil også kreve at systemet skal få større mengder av ressursen fra omgivelsene.
Stabiliteten i levende systemer indikerer at deres termodynamiske tilstander er på ekstreme verdier, som er stabile i minst første ordens forstyrrelser [31]. Med hensyn til om den ekstreme verdien er et minimum eller maksimum avhenger i stor grad av nivået av tilgjengelig energi. På bakgrunn av dette, de tidligste levende systemer opprettholdes
informasjon minimum
grunn av energi restriksjoner. Denne tilstanden er fortsatt observert i prokaryoter.
Til sammenligning en senere fase overgang til informasjon maksimal skjedde etter oppkjøpet av spesialiserte energiorganeller som mitokondrier. Dette førte til et mobilfaseendring (sett i fossilene som evolusjon) fra prokaryoter til eukaryote. Informasjonen maksimum i den sistnevnte er reflektert i økte antall av gener og større cellestørrelse og kompleksitet. Informasjonen maksimum, vi foreslår, også tillatt fremveksten av multicellularity.
Motsatt foreslår utviklingen av en normal pattedyrcelle til en kreftcelle representerer en informasjons fase overgang fra maksimalt til en minimumsverdi, sannsynligvis gjennom et antall av ustabile mellomprodukter. Vår modell indikerer at dette overgang kan være initiert av tap av energi gjennom intra- eller ekstra-cellulære faktorer. Spesielt ser vi muligheten for mitokondriell dysfunksjon som en metabolsk initiativtaker til kreftutvikling. Dette er bemerkelsesverdig lik den Warburg Hypotese som ble foreslått over 50 år siden, og er støttet av nyere forskning [32] inkludert studier som viser mitokondriell dysfunksjon er nært knyttet til aldring og alderdom [26], [27].
Hjelpemiddel Informasjon
Vedlegg S1.
Detaljert forklaring av Fisher Informasjon og dens egenskaper
doi:. 10,1371 /journal.pone.0022085.s001 plakater (DOC)
