Krooninen sairaus

tiivistelmä

Background

Living järjestelmät käyttävät tietoa ja energiaa vakaan entropian taas kaukana termodynaamisen tasapainon. Taustalla Ensimmäinen periaatteita ei ole vahvistettu.

Havainnot

Ehdotamme, että vakaa entropiaa elävät järjestelmät, ilman termodynaamisen tasapainon, vaatii tietoa extremum (maksimi tai minimi), joka on invarianttia ensimmäisen kertaluvun häiriöiden. Lisääntymistä ja kuolema ovat keskeinen palaute mekanismeja, jotka edistävät vakautta jopa ei-tasapainotilaan. Järjestelmä siirtyy alhainen tai korkea tietoa riippuen sen energian asemasta, koska hyöty tietojen ylläpitämisessä ja kasvava järjestys on punnittava sen energiakustannuksia. Prokaryooteissa, joista puuttuu erikoistunut energiaa tuottavien organelles (mitokondrioita), ovat energia-rajalliset ja pakotettu informaation minimi. Hankinta mitokondrioita nähdään kriittinen kehitysaskel, että sallimalla eukaryooteissa saavuttaa riittävän korkean energian tilaan, sallitaan faasimuutoksen informaation maksimi. Tämä tila, toisin kuin prokaryootti minimit, annettiin kehitys monimutkainen, monisoluisista organismeista. Erityinen tapaus on pahanlaatuinen solu, joka mallinnetaan faasimuutos suurin minimiin tietojen tilaan. Pienin johtaa ennustetun tehon-lakia

in situ

kasvun, joka on vahvistettu tutkimuksissa mittaamalla kasvua pienten rintasyöpiä.

Johtopäätökset

Huomaamme elävien järjestelmien saavuttaa vakaa entropic tilassa ylläpitämällä äärimmäinen tietotason. Evoluution poikkeavuus prokaryooteissa ja eukaryooteissa johtui hankinnasta erikoistunut energian soluelimiin joka mahdollisti siirtymisen tietoja minimit maksimit, vastaavasti. Karsinogeneesi edustaa käänteinen siirtyminen: tiedotus- maksimista minimiin. Progressiivinen tiedot menetys näkyy kertyvät mutaatiot, epäjärjestyksessä morfologia, ja toiminnallisia lasku ominaisuuksia ihmisen syövissä. Havainnot viittaavat siihen, energia rajoitus on kriittinen ensimmäinen askel, joka laukaisee geneettisiä mutaatioita, jotka ajavat somaattinen kehitys pahanlaatuisen fenotyypin.

Citation: Frieden BR, Gatenby RA (2011) Information Dynamics Living Systems: Prokariootteihin, eukaryooteissa ja Syöpä. PLoS ONE 6 (7): e22085. doi: 10,1371 /journal.pone.0022085

Editor: Matej Oresic hallitusneuvos teknillinen tutkimuskeskus Suomi, Suomi

vastaanotettu 25 maaliskuuta, 2011; Hyväksytty: 15 Kesäkuu 2011; Julkaistu: 19 heinäkuu 2011

Copyright: © 2011 Frieden ja Gatenby. Tämä on avoin pääsy artikkeli jaettu ehdoilla Creative Commons Nimeä lisenssi, joka sallii rajoittamattoman käytön, jakelun ja lisääntymiselle millä tahansa välineellä edellyttäen, että alkuperäinen kirjoittaja ja lähde hyvitetään.

Rahoitus: Tämä työ tukee National Cancer Institute apurahan 1U54CA143970-01. Rahoittajat ollut mitään roolia tutkimuksen suunnittelu, tiedonkeruu ja analyysi, päätös julkaista tai valmistamista käsikirjoituksen.

Kilpailevat edut: Kirjoittajat ovat ilmoittaneet, etteivät ole kilpailevia intressejä ole.

Johdanto

Kaikki elävät järjestelmät (i) on paikallinen verkkotunnuksen rajataan, esimerkiksi solukalvon ja (ii) yllä vakaata, alhainen entropia tai häiriö. 2

toinen termodynamiikan vaatii entropian kasvavan aikaa, mutta tämä on nimenomaan globaali luonne. Näin ollen omaisuus (i) on paikkakunnan sallii järjestelmä on hyödyllinen ominaisuus (ii) alhainen entropia. Korvaukseksi, 2

nd laki vaatii paikallisesti alhainen entropian liitettävä vienti vielä suuremman määrän entropiaa järjestelmään ulkopuoli ympäristössä. Itse asiassa, tämä ominaisuus ei ole ainutlaatuinen elävien järjestelmien – kiteitä, tähdet, ja planeetat samoin edustavat paikallisesti tilattu rakenteita. Kuitenkin elävät järjestelmät eroavat muista tilattu rakenteista luonnossa että ne

olla säännöllisen sisäisen entropian kaltevuudet erittäin määräsi rakenteita kuten solukalvon ja kromosomit, välissä paljon vähemmän tilasi komponentteja kuten sytoplasmaan;

vakaat, paikallinen entropia käyttämällä ulkoista energiaa kaukana termodynaaminen tasapaino;

kykenevät itsereplikaatio;

tallentaa ja käyttää tietoja muodossa geneettisten koodien ja mahdollisesti muita tilasi solunsisäisiä rakenteita.

die

siis lyhyesti elävät järjestelmät ovat alhaiset (mutta ei minimi) entropia todetaan, että pysyvän vakaana huolimatta kaukana termodynaaminen tasapaino. Tämä vakaus edellyttää tietojen säilyttämiseksi sisäisiä mekanismeja, jotka tehokkaasti muuntaa energiaa järjestyksessä. Lisääntymistä ja kuolema antaa positiivista ja negatiivista palautetta, jotta järjestelmä ylläpitää vakautta vaikka kaukana termodynaamisen tasapainon.

Olemme aiemmin osoittaneet [1], että tieto biologisessa yhteydessä voidaan pitää kykyä helpottaa työtä . Erityisesti se ohjaa ja katalysoi energian ja alustan ympäristöstä erityisiksi makromolekyylien että puolestaan ​​säilyttää hallittu rakenne solun. Esimerkiksi tietoja DNA määrittelee rakenteen proteiineja. Jotkin proteiinit voivat toimia entsyymejä energia-aineenvaihduntaan tai lipidisynteesiin. Muita makromolekyylejä spontaanisti kokoontuvat itsestään korkeammat, vähän energiaa, rakenneosat solun kuten proteiinien muodostavan ribosomin tai lipidien muodostavat kalvoja.

Tämä keskeinen rooli tiedon ylläpitämisessä elävä järjestelmä on ainutlaatuinen luonto ja voi itse edustaa kaikkein ytimekäs mahdollinen määritelmä elämän. Kvantitatiivinen metrinen järjestelmä ”tilaus” tai ”monimutkaisuus” on ”Fisher tietoa” [1] – [9] (ne ovat kaikki oikeassa suhteessa, kuten alla). Konseptia on sovellettu laajasti elävät ja nonliving järjestelmiä. Tässä meidän tavoitteena on tarkastella tietoja dynamiikka,

puuttuessa termodynaamisen tasapainon

, muodostumisen sallimiseksi ja pysyvyys paikallisia taskuja, joissa sairaus on huomattavasti pienempi kuin ympäristön. Nämä paikalliset taskut nähdään elävien järjestelmien.

Methods

Kaksi postulaattia Living Systems

Paikalliset kasvaa järjestyksessä voi tapahtua elottomien, kuten kiteitä. Kuitenkin nämä fyysiset järjestelmät poikkeuksetta siirtyä kohti vakaata termodynaaminen tasapaino tilan alhainen entropia ja energiaa. Toisin kiteitä, elävät järjestelmät vakaa tila alhainen entropia, joka on kaukana termodynaaminen tasapaino. Tärkeimmät järjestelmän parametrit, jotka sallivat vakaus elävän järjestelmän ovat tietoa ja energiaa. Jälkimmäinen on virtaa soluun ja sitten muuntaa tilata vuorovaikutusten kautta entiseen. Kuitenkin ehdotamme, että elävät järjestelmät pohjimmiltaan on punnittava hyödyt lisääntynyt tieto ja monimutkaisuuden kanssa hankintakustannukset ja ylläpitää näitä tietoja. Siten elävät järjestelmät saavuttaa ei alin mahdollinen entropia tila vaan pikemminkin, entropia tasoa, joka mahdollistaa leviämisen rajoitteet käytettävissä olevien tietojen ja energia [ks yhtälöiden. (2a, b)].

Edeltävä ehdottaa käytön Fisher tietoa, joka on mitta entropian ja järjestyksen (katso alla) ja indikaattori energiakustannuksia, voidaan käyttää ilmaisemaan ensimmäisen periaatteet termodynamiikkaan elävät järjestelmät, seuraavasti:

Living järjestelmät eivät ole tasapainossa auki, mutta paikallisesti rajattua, systeemi, jotka käyttävät tietoja muuntaa ympäristön energiaa tilauksesta. Survival of elävä rakenne edellyttää vakaata tilaa, jotta siitä huolimatta, lämpö- ja mekaanisen häiriöitä. Nopea (geologiset aika) ulkonäkö elämää maapallolla ja sen kestävyyttä, sillä ensin esiintyvät fossiiliaineistossa osoittavat, että elävät järjestelmät ovat erittäin suotuisa tila, joka voi kehittyä spontaanisti ja pysyvän vakaana ja vahvana huolimatta monenlaisia ​​häiriöiden yli miljardeja vuosia .

vakaus elävä järjestelmä vaatii sen tietosisällön pidettävä ääriarvon. Koska heidän ensimmäinen derivaatta on 0, äärimmäinen pistettä järjestelmätiedot dynamiikan yleensä stabiili ensimmäisen kertaluvun järjestelmän häiriöiden. Ehdotamme luotettavuutta elävien järjestelmien on perusteltua olettaa, että että sen tiedot tila on joko minimi- tai maksimiarvo [Katso erityisesti, materiaali seuraavat Eq. (1)]. Tämä nähdään edellyttävän tasapainoa saatavuuden ja energian hinta ympäristöalan alustaan ​​järjestelmän. Ääriarvot ilmentyä biologisesti seuraavasti:

Prokariootteihin. Energia saatavuus prokaryooteissa rajoittaa niiden ympäristö- alustan ja ilman erikoistuneiden energiaa tuottavien organelles. Limited energian saatavuus rajoittaa dynamiikka, niin että tiedot, joita näimme, on säilytettävä ääriarvon, voidaan säilyttää vain sen

pienin

arvo. Tämä minimimäärä täyttää vaatimus I.

Eukaryootit. Eukaryooteissa käyttää erikoistuneita organelles energiantuotantoon kuten kloroplastit ja mitokondrioita. Nämä vapauttaa energiaa rajoituksia, jotka oli rajoitettu prokaryooteissa informaatiotaululle minimi. Tässä tilassa tieto pidetään

mahdollisimman

. Toisin sanoen, kun energia on runsas, hyötyä lisääntynyt tieto ja tilaus ylittää lisäkustannuksia. Tämä tieto vaihe muuttuu heijastuu lisääntynyt solun koon ja määrän geenejä verrattuna prokaryootit, sekä myöhemmin evoluution monimutkaisia, monisoluisten organismien [10].

postulaatit I ja II ovat perustana Opinnäytetyön että Fisherin tiedot antavat suunnitelma kasvun ja kehityksen elämän. Intuitiivinen ja motivoiva syitä käyttää näitä äärimmäisiä vaikutuksista annetaan myöhemmin. Mutta ensin mitä Fisher tietoa?

Fisher Information

Tarkastellaan järjestelmää, jossa parametri, jonka arvo haetaan analyysi sen tiedot. Tietoja käytetään muodostamaan matemaattinen arvio parametrin. Tiedot alun perin määritelty R. A. Fisher [11] mittana laadun tietoja parametrin. Ominaisuudet Fisher tietoa kehitetään tukiaineeseen. Näiden joukossa ovat sen ”paikallinen” luonne ja shift-invariant muoto, jonka tiheysfunktio määrittävän lain järjestelmän kanssa koordinoitava. Yleisesti, luonne riippuu sovelluksesta, mutta meidän on asennossa. Viimeksi [9], on todettu olevan omaisuuden järjestelmän samoin, mittaamalla sen taso ”järjestys” ja ”monimutkaisuus.”

Tulokset

saaminen Stable Entropy

äärimmäinen tilassa on dynaaminen systeemi, koska se edustaa enintään pisteen käyrä, on ensimmäinen johdannainen 0 ja on määritelmän, vakaista ensimmäisen kertaluvun häiriöiden, esimerkiksi johtuen ulko tekijöistä, kuten satunnaista lämpötilan muutos. Siksi elävä järjestelmä, joka on tilassa äärimmäisen Fisher tietoa, onko maksimi tai vähintään

saa etua vakauden

. Tämä taipumus pitää se vakaana entropic valtio, joka, kuten ehdotimme, jonka avulla elämä jatkua.

Äärimmäinen arvo

I

stabiloi

H

.

Tämä stabiilisuusominaisuutta helposti näkyy, esim varten monenlaisia ​​todennäköisyys lakeja, jotka ovat jäseniä räjähdysmäinen perheen [12] (ks tukeminen Information). Siellä entropia ja Fisherin informaatio totella [13], vastaavasti, ja. Poistaminen määrä niiden välillä saadaan (1) ottamisen jälkeen ero. Koska äärimmäisissä ratkaisuja sitten samoin. Eli

vähintään tai enintään Fisherin informaatio tila vakiintuu entropia

(vaikka sen sisäinen kasvu voi silti olla rajallinen, jonka (2a) alla). Tämä tulos selventää, että jokaisen vakaa, elävä järjestelmä saavuttaa äärimmäisen tasoa Fisher tietoa, onko maksimi tai vähintään.

Fisher I Limits Entropic Change

Tarkastellaan solun massa

m

ja lämpötila

T

merenkulun entropia ulkopuolella ympäristöään nopeudella

dH /dt

. Olemme aiemmin osoittaneet, [2], että on olemassa yläraja entropian muutos

dH

, ja tämä riippuu tasosta Fisher tietoja järjestelmässä. Suhde on, jossa on määritelty yhtälön 2a. On valaisevaa yhdistää tämän perus entropia-energian suhteen, jolloin Erot on kaksi seurauksia riippuen siitä, onko energia-entropia hinnat tai tieto on vahvistettu:

Jos kiinteä korko entropian menetys

energia muutos entropia-energia suhde, pienin mahdollinen arvo tiedon tottelee (2a), jossa

k

on Boltzmannin vakio. Ne osoittavat, että solun matalan rajoitettu energiaa korko, ja sen johdosta alhainen entropia hävikki, voi vain säilyttää vähintään seuraavat tiedot tai tilata

I

. Ehdotamme, että tämä tila ilmenee prokaryootit, eräänlaista elämän suhteellisen alhainen järjestyksessä tai monimutkaisuus.

Voit myös harkita

kiinteä tietotason

. Edellä eriarvoisuutta voidaan laadittava uudelleen (2b) Meillä on jo harkittu tapauksissa minimaalinen

I

. Nämä kuvatut prokaryootit. Mieti nyt, päinvastaisessa tapauksessa, että on suuri, ts korkea järjestyksessä, monimutkaisuus ja toiminta. Yhtälöt. (2b) osoittavat, että silloin, jopa pienin mahdollinen hinnat entropian menetys ja vaadittu energiapanos ovat korkeat. Maksettu hinta ylläpitämiseksi valtion korkea järjestyksen ja sen johdosta vakaa entropia on paljon suurempi tarvitaan energian käyttöä. Tämä tila, ehdotamme, säilytetään eukaryooteissa, ja ilmenee suurta genomien ja kehitystä multicellularity.

Näin keskinäinen riippuvuus energian ja entropian antaa selvän käsityksen siirtymistä matalan monimutkaisuus elämän muotoja mutkikkaisiin muotoihin. Se myös vastaa ehdotuksia, hankinta mitokondrioita, tarjoamalla uusi energialähde, oli kriittinen tekijä evoluution siirtymistä prokaryooteissa ja eukaryooteissa. Se voi myös antaa käsityksen käänteinen siirtyminen, joka on tyypillisesti ilmenee aikana syövän syntymistä.

ovat informaatio- ja ”järjestys” synonyymi?

Käytämme sanat ”tilaus” ja ”tieto” samassa merkityksessä. Kuten viime aikoina [9]:

Tarkastellaan jonka määrittelee todennäköisyydellä laki. Sen taso järjestyksessä vaihtelee lineaarisesti sen tason Fisherin tiedot

I

, eli järjestyksessä (3) Tässä on määrä järjestelmän mitat ja on sen suurin yksiulotteinen laajennus. Ensimmäinen tasa pätee yleisesti. Toinen pätee erityistapauksessa todennäköisyyden lain

p

joka on potenssiin siniaalto sisältävän wiggles kussakin ulottuvuus. Neliöllinen (voimakas) riippuvuus osoittaa, että toimenpiteiden tason järjestelmän

monimutkaisuutta

samoin.

Sekä järjestyksen ja tiedot ovat entropies, siinä mielessä toimenpiteiden järjestelmän organisaation vähenee aika. Tämä näin määrittelee nuoli aikaa, ehkä määrällisesti paljon keskusteltu biologisten nuoli aikaa.

rakenne soluja ja sen komponenttien optimoi tiedot ja järjestys

Tilaa vaadittavasta Eri Polymer valtioiden .

Eq. (3) osoittaa, että kyseessä on lineaarisen tietojen rakenteen (kuten koodattu aminohappojen sekvenssi on DNA, RNA ja proteiinit) vaatii olennaisesti vähemmän järjestyksessä (ja, kuin edellisessä, vähemmän energiaa) säilyttää sen muoto tekee kuin solukalvon kanssa. Ja tämä vaatii vähemmän tilauksen tai energiaa kuin komposiitti solu, ja ulottuvuus. Siten ylläpitämisestä korkean järjestyksen ja monimutkaisuus luonnostaan ​​edellyttävät solun valtioiden sekä korkean dimensionality ja, yhtälöllä. (2b), energianlähde korko.

Vaatimus epäyhtenäisiä solurakenne.

Toisin kiteitä – joilla on suhteellisen yhtenäinen, jotta koko – elävät järjestelmät ovat heterogeenisiä ja dynaamisia. Näin ollen, jopa yksinkertainen prokaryootti on erittäin tilata rajan (eli solukalvon ja soluseinän), mutta suhteellisen epäjärjestyksessä keskeinen rakenne (nesteen solulimassa), joka sisältää myös monia erittäin tilata suurten molekyylien, kuten proteiinien, DNA: n ja RNA: ta. Toisin sanoen, dynaamiset ominaisuudet solujen näyttäisi edellyttävän spatiaalinen vaihtelut järjestyksessä, esim. siirtymävaiheessa tilatusta solukalvon suhteellisen häiriintyneestä sytoplasmaan, vakaa tila kaukana tasapainosta. Argumentti on seuraava:

tietojärjestelmä pohjana Mitosis.

Ainutlaatuinen ominaisuus elävien järjestelmien kyky itsereplikoitumaan ja siten termodynamiikan elämän täytyy olla tämä prosessi. Todellakin, mitoosin ja kuolema ovat keskeinen palaute mekanismeja, jotka optimoivat järjestelmän parametrien avulla järjestelmän vakautta vaikka kaukana termodynaamisen tasapainon. Tarkastellaan ”äiti” solu kehittää ympäristössä rajallinen energiaa. Vakaa elävä järjestelmä vaatii

dH /dt = 0

, ja jos

dH /dt

0 se haihtuu ja kuolevat. Mutta, mitä jos

dH /dt

0? Ajan edetessä, monimutkaisuus ja järjestyksen tämän järjestelmän kasvaa. Kuitenkin yhtälöt. (2b) osoittavat, että suurempi tilaus

I

on korkeampi ovat määriä entropian menetys ja vaatinut energiaa voitto

dE /dt

ympäristöstä. Toisaalta, ympäristössä voi antaa vain rajoitetusti energiaa nopeudella, kutsuvat sitä (

dE /dt

)

0. Missä määrin tilata kasvaa solussa? Ensimmäinen Eq. (3) antaa vastauksen.

Tämän toiminnan solu kasvaa, kasvaa sen monimutkaisuus

I

ja, yhtälöllä. (3), sen järjestys taso

R

Sitten niin tekee sen vähimmäismäärään-energiaan (

dE /dt

). Kuitenkin tämä nopeus väistämättä rajoittaa solun ympäristössä jossain maksimiarvo (

dE /dt

)

0. Anna solujen järjestys

R

kasvaa, kunnes se saavuttaa tason

R

0

, jossa sen vaaditun tason (

dE /dt

)

min

equals (

dE /dt

)

0. Sitten kasvu ylittää tason

R

0

ei voida ylläpitää saatavilla energiaa. Tässä vaiheessa solu jakautuu kahtia siten, että kukin tytär ”, jotka sisältävät samoja geenejä kuin äiti. Siten kukin tytär on sama informaatio tasolla

I

samoin äiti. Toisaalta, jokainen on pituudeltaan

L /2

, niin että yhtälöllä. (3) kullakin tilauksen pienenee, arvoon

R = (1/4) R

0

. Tämä taso voidaan jälleen täytettävä ympäristön nopeudella (

dE /dt

)

0. Näin ollen nyt kaksi tytärtä voi aloittaa edelleen kasvua monimutkaisuus; jne Mitosis ratkaisee ongelman.

arvo kuolema.

Toisin kuin muut vakaita rakenteita luonnossa, elävät järjestelmät kuolevat. Selvästi kiteet ja muut määräsi rakenteet hajoavat osien mutta koska ne ovat tasapainossa, tämä prosessi on hidas. Elävät järjestelmät ovat kuitenkin stabiilisti kaukana tasapainosta, jotta vika johtaa nopeasti faasimuutoksen tasapainoon. Kuolema, eli edustaa faasimuutoksen ei-tasapaino tasapainoon.

Aiemmin on huomattava, että järjestelmä kaukana tasapainosta on luonnostaan ​​epävakaa. Ehdotamme elävät järjestelmät olisivat yhtä niin ilman kaksi kriittistä palautetta mekanismeja – mitoosin ja kuolema. Palkkio menestystä lisääntymistä ja rangaistus epäonnistuminen kuolema tarjoaa vahvan paikallisen valikoiman optimoimiseksi taustalla termodynamiikan. Evolution ei siis esiin biologiasta. Pikemminkin se on välttämätön edellytys olemassaolon elävien järjestelmien.

Suurin Fisher Information

Yksi osa tietoja, joita ei usein huomattava on sen hinta. Eli tietoja sen varastointiin, päällekkäisyyksiä, ja hyödyntäminen vaatii energiankulutusta. Kuten yhtälössä. (2a), paikalliset tiedot taso rajoitetaan mitään hyötyä Shannon entropiaa ajan.

ehkäisy

tällaisen vahvistuksen, eli ylläpitää vakaata tilaa järjestyksessä, edellyttää energiankulutusta sopusoinnussa Eq. (2b). Täten korkeampaa tiedon vaativat entistä energiankulutusta vakaa tila järjestyksessä. Kuten äskettäin totesi [10], eukaryooteissa ylläpitää valtion korkea energian saatavuus (verrattuna prokaryootit) johtuu ensisijaisesti kehittämiseen mitokondrioita. Nämä solut saavuttavat optimaalisen laji kunto [6] saavuttamalla korkea, itse asiassa

mahdollisimman

,

taso järjestyksen ja tietojen

(katso myös Eq. (3)).

Niinpä energinen tila eukaryoottien mahdollistaa niiden ylläpitää tietoa maksimi. Tämä on sama kuin maksimointi monimutkaisuutta sekä [9], ja on ilmeinen tuntuva lisäys koko ja geeni numero eukaryooteissa vs. prokaryooteissa. Lisäksi aikaisempien tutkimusten avulla EPI periaatetta (liite S1) ovat tutkineet odotettu aiheutuisi järjestelmästä, joka on informaation maksimi.

Minimi Fisher Information

Sitä vastoin prokaryooteissa ole erikoistunutta aineenvaihdunnan soluelimiin jotta energiaa hankinta rajoittuu alustaan ​​saatavilla välittömässä ympäristössä. Tällaisissa energia rajoitettu järjestelmiin, tieto minimit saavutetaan, kun vakaa ratkaisu. Nämä tosiasiassa tapahtuu vastakkaisia ​​skenaarioita joko korkea tai matala, ravintoaine resursseja kuin käsitellään seuraavaksi. Mikä massa kasvu lakeja ajoissa kuvataan tällainen järjestelmä todetaan? Huomaa, että

p (t) B on yleensä

suhteellinen

esiintyminen tietyn solutyypin elimessä. Jos esimerkiksi hetkellä

t

kasvain miehitetty ¼ elimen sitten

p (t) B syöpäsoluja on 0.25. Vuoteen suurten lukujen laki [13], tämä on myös sen

todennäköisyys

esiintymistodennäköisyys yhdellä havainto. Täten syöpä elimessä

p (t) B on suhteellinen massa elin, joka on syöpä tuolloin

t

, jotta lain suurten lukujen se on myös todennäköisyys laki paikallistamiseksi syöpäsolun elimessä kerrallaan

t

.

ratkaisu riippuu saatavuudesta ravitsemuksellista resurssi. Sillä

in vitro

syöpätapausta, tai prokaryooteissa nauttia lähes rajaton resurssi minimointi on rajoittamaton paitsi normalisointia. Tämä antaa aihetta [2] ajallisesti eksponentiaalista kasvua lakeja const.

Syöpä kuin tieto siirtymistä enintään minimiin

keskeinen hypoteesi on, että vakaus termodynaamisen tilan elävän järjestelmän mukaan tietojen tilassa olevan ääriarvon. Siirtyminen prokaryoottiin ja eurkaryote elämänmuotoja edustaa faasimuutos minimistä maksimiin sallima lisääntynyt energian saatavuus hankinnan johdosta mitokondrioita. Ehdotamme, että vaiheittainen muutos normaaleista soluista syöpään (karsinogeneesi) edustaa käänteisfaasi muutos, jossa tiedot tilasiirtymiä enintään minimiin. Tämä ”tieto katastrofi” ilmenee, kun seuraavat:

Genominen epävakautta.

kertyminen useiden geneettisten mutaatioiden on yleisesti havaittu syövissä. On arvioitu, että tyypillinen syöpäsolut sisältävät tuhansia geneettisten muutosten verrattuna solujen alkuperästä. Itse asiassa, se on yleisesti ehdotettu, että mutaattorikannasta fenotyyppi (eli solut, jotka eivät kykene korjaamaan DNA: n tai kromosomaalisen lisääntymiseen virheitä, ja näin ollen on erittäin korkea mutaationopeus) tarvitaan muodostamaan syöpä [14].

Cellular ja kudos.

syöpäsolu tyypillisesti näyttelyitä vähentynyt funktio ja epäjärjestyksessä morfologia verrattuna normaaleihin soluihin alkuperän. Samoin kudos koostuu syöpäsolujen menettää rakenteellinen järjestys (erilaistamattomuuden ja dysplasia) ja normaalin kasvun rajoituksia.

Kyvyttömyys mitata aikaa.

Tunnusmerkki [15] syöpäsolujen on kuolemattomuus, niin että niiden leviäminen on sopimatonta, sisällä molemmat yhteydessä kudoksen muodostumista ja ikänsä. Telomeerit ovat pieniä DNA: n osien lopussa kunkin kromosomi, joka lyhentää aina normaalin solun läpikäy mitoosia. Tällä tavalla solu voi ”tietää” sen iästä ja saavutettuaan vanhenemista läpikäy ohjelmoidun kuoleman. Kuitenkin syövät puuttuu tyypillisesti tämän toimenpiteen ikääntymisestä.

Tiedot menetys ja kliinisiä syövän kasvua

Olemme aiemmin osoittaneet, että hypoteesi, että syöpäsolut asymptoottisesti lähestyä tiedot vähintään mahdollistaa ennustamista kasvun dynamiikkaa. Tarkemmin, huomasimme, että

in situ

kasvun lakia kantojen informaation pienin (eli joko prokaryootti tai syöpäsolu) on yksinkertainen teho laki, jossa on vakio, joka on tarkoituksenmukaista solutyypin [2], [7], [8]. Malli ennustaa, että syövän kasvua, α≈1.62. Tämä ennustus verrattiin kasvua pienten rintasyövistä havaitut seulonta mammografiassa kun kasvain voitiin havaita jälkikäteen kaksi tai enemmän ennen tutkimuksia. Seitsemästä itsenäisestä tutkimuksissa havaittiin, että syövät näytteillä potenssiin kasvu, jonka keskiarvo on α = 1,72 (0,23), joka on samanlainen kuin havaitaan in vivo bakteerien kanssa α≈2 [16] – [22].

Miksi syöpä kehittyy? – Warburg revisited

Jos syövän synnyn edustaa tietoa faasimuutoksen enintään minimiin, meidän on käsiteltävä myös systeemidynamiikan joka ajaa tällaisesta muutoksesta. Olemme ovat väittäneet, että evoluutio eukaryoottien sallittiin hankinta parantaa energian dynamiikkaa, joka sallitaan vaiheen muutos informaation maksimi tilassa. Meidän täytyy todeta, että koska solun energia tila sanelee joka äärimmäinen – suurin tai pienin – suositaan, se on menetys energiaa kantasolun, joka aloittaa syövän synty. Erityisesti menetys tulee johtaa energian rajoitus siten, että solu voi enää ylläpitää, vakautta, valtion mahdollisimman paljon tietoa. Sen sijaan se voi vain säilyttää vakautta tilaan

pienin

tietoa, joka on ominaista syöpä. Tämä ei ole eri mieltä vakiomallin Karsinogeneesin jossa oletetaan syöpiä aloittanut mutaatioita. Kuitenkin meidän malli viittaa siihen, että tällaiset mutaatiot ovat osoitus hajoamista tietoa, joka johtuu energian ajettu faasimuutos suurin minimiin. Näin ollen, vaikka genomin mutaatiot voivat aiheuttaa fenotyyppiset ominaisuudet, jotka sallivat rajoittamattoman kasvun,

mallimme ehdottaa, että aloittaminen mutaation sekvenssin, joka synnyttää karsinogeneesiin on seurausta hankitun energian rajoitus

.

Vaikka tämä näkemys on selvästi ristiriidassa perinteisen mallin syövän, se on aiemminkin. ”Warburg hypoteesi” ehdotti, että aloittava tapahtuma syöpä oli mitokondrion toiminnan [23]. Meidän ennen työtä on [24], [25] totesi, että energian tuotanto premaligni kasvaimet voidaan rajoittaa ympäristön hypoksian (johtuvat esimerkiksi krooninen tulehdus), ja että tämä voi olla kriittinen vaihe siirryttäessä kohdunkaulan syöpä. Lopuksi on mielenkiintoista, että rooli mitokondriohäiriöitä sekä ikääntyminen ja syöpä on tällä hetkellä aihe huomattavan tutkimuksen kiinnostusta. [26], [27].

Keskustelu

Nopea kehitys elävät järjestelmät geologisessa kirjaa ja niiden jatkuva läsnäolo yli 3500000000vuosi osoittaa elämän edustaa erittäin suotuisa termodynaaminen tila. Living ovat molemmat erittäin pysyvä eikä vielä kykenevät kehittämään vähitellen monimutkaisempia (tai tilannut) todetaan ajan. Ehdotamme malli, joka nimenomaisesti sisältää tietoa dynamiikkaa järjestelmään termodynamiikan voi selittää nämä ominaisuudet [2] – [5], [7].

Ajatus etsien poikkitieteellisen variaatioperiaatetta joka voisi ennustaa sekä fyysisen ja biologisia vaikutuksia ehdotettiin noin 40 vuotta sitten väestön biologien Crow ja Kimura [28] ja jo ennen heitä, joita Delbrück [29]. Viime aikoina fyysikko E.T. Jaynes [30] ehdotti periaate enintään entropian johtamiseksi kaikki tilastolliset luonnonlakeja.

mallinäkymät elävät järjestelmät vakaana, alhainen entropia tila, joka on kuitenkin kaukana termodynaaminen tasapaino. Entropia elävien järjestelmien ei (toisin kuin esimerkiksi, kiteitä) edustaa alin mahdollinen arvo jotta järjestelmästä. Pikemminkin elämä ylläpitää ”Kultakutri” tila entropia (ei liikaa eikä liian vähän), joka tuottaa optimaalisen termodynaaminen tila mahdollistaa vakautta ja itsensä lisääntymiselle. Kuolema ja leviämisen ovat kriittistä palautetta mekanismeja, jotka optimoivat järjestelmän parametrit, jotta vakaus vaikka ei tasapainossa.

Tämä vakaus edellyttää tietojen käyttöä muuntaa ympäristön energiaa solunsisäisiin järjestyksessä. Ehdotamme ensimmäinen periaate elävien järjestelmien on kompromissi välillä (i) sisäinen tarvittavat tiedot muuntaa ympäristön energiaa ja alustan kuntoon, ja (ii) kustannukset säilyttää ja käyttää tämän tason järjestyksessä. Eli jopa sisällä ”Kultakutri” valikoima entropian, joka on yhteensopiva elämää, korkeampaa tilaus edellyttää myös järjestelmää saadakseen suurempia määriä resursseja ympäristöstä.

vakaus elävät järjestelmät osoittavat, että niiden termodynaaminen valtiot ovat äärimmäisiä arvoja, jotka ovat stabiileja ainakin ensimmäisen kertaluvun häiriöt [31]. Se, onko äärimmäinen arvo on vähintään tai enintään riippuu suurelta osin tasosta käytettävissä energiaa. Tältä pohjalta aikaisintaan elävien järjestelmien yllä

tiedot vähintään

takia energian rajoituksia. Tämä tila on yhä havaittavissa prokaryooteissa.

Vertailun myöhemmässä vaiheessa siirtyminen tiedon mahdollisimman tapahtui seuraava hankinta erikoistunut energian soluelimiin kuten mitokondrioita. Tämä johti solujen vaiheen muutos (katsottuna fossiiliaineistossa evoluutiona) prokaryooteista ja eukaryootti. Tiedot enintään jälkimmäisessä näkyy lisääntynyt määrä geenien ja suuremman solun kokoa ja monimutkaisuutta. Tiedot maksimi, ehdotamme, sallitaan myös syntymistä multicellularity.

Käänteisesti, ehdotamme kehittyminen normaalin nisäkkään solun syöpäsolun edustaa informaation faasimuutos suurin minimiarvoon, luultavasti kautta useita epävakaa välituotteita. Mallimme osoittaa tämän siirtymävaiheen voisivat nostaa voimattomuus kautta sisäisestä tai solun tekijöitä. Erityisesti toteamme mahdollisuutta mitokondriohäiriöitä kuin metabolisen alullepanija syövän synnyn. Tämä on huomattavan samankaltainen kuin Warburg hypoteesin, että ehdotettiin yli 50 vuotta sitten ja sitä tukee uudempi tutkimus [32], mukaan lukien tutkimukset osoittavat mitokondrioiden liittyy läheisesti ikääntymiseen ja vanhenemista [26], [27].

tukeminen Information

Liite S1.

yksityiskohtainen kuvaus Fisher Information ja sen ominaisuuksista.

doi: 10,1371 /journal.pone.0022085.s001

(DOC) B