Extracto
Antecedentes
Los sistemas vivos utilizan la información y energía para mantener la entropía estable, mientras que lejos del equilibrio termodinámico. No se han establecido los primeros principios subyacentes.
Los resultados
Proponemos que la entropía estable en los sistemas vivos, en ausencia de equilibrio termodinámico, requiere un valor extremo de la información (máximo o mínimo), la cual es invariante a las perturbaciones de primer orden. La proliferación y la muerte representan mecanismos de retroalimentación clave que promueven la estabilidad, incluso en un estado de no equilibrio. Un sistema se mueve a baja o alta la información en función de su estado de energía, ya que el beneficio de la información en el mantenimiento y orden creciente está equilibrado en sus costos de energía. Procariotas, que carecen de orgánulos productores de energía especializados (mitocondrias), son limitados y en un mínimo de información de energía limitada. Adquisición de las mitocondrias es vista como un paso evolutivo crítico que, al permitir que los eucariotas para alcanzar un estado suficientemente alta energía, permite una transición de fase a un máximo de información. Este estado, en contraste con los mínimos procariota, permitió que la evolución de los organismos complejos, multicelulares. Un caso especial es una célula maligna, que se modela como una transición de fase desde un máximo a estado información mínima. Las derivaciones mínimas a una ley de potencias predicho que rigen el
In situ
crecimiento que está confirmado por estudios que miden el crecimiento de los cánceres de mama pequeños.
Conclusiones
sistemas
Nos encontramos que viven lograr un estado entrópico estable mediante el mantenimiento de un nivel extremo de información. La divergencia evolutiva de los procariotas y eucariotas, como resultado de la adquisición de los orgánulos energéticos especializadas que permitieron la transición desde los mínimos información a máximos, respectivamente. Carcinogénesis representa una transición inversa: de un máximo de información al mínimo. La pérdida progresiva de información es evidente en la acumulación de mutaciones, la morfología desordenada, y las características de la disminución funcional de los cánceres humanos. Los hallazgos sugieren que la restricción de energía es un primer paso crítico que desencadena las mutaciones genéticas que dirigen la evolución somática del fenotipo maligno
Visto:. Frieden BR, Gatenby RA (2011) Información Dinámica de Sistemas Vivos: Los procariotas, eucariotas, y el cáncer. PLoS ONE 6 (7): e22085. doi: 10.1371 /journal.pone.0022085
Editor: Matej Oresic, Centro de Investigación Técnica de Finlandia Gubernamental, Finlandia
Recibido: 25 Marzo, 2011; Aceptado: 15 de Junio de 2011; Publicado: July 19, 2011
Derechos de Autor © 2011 Frieden y Gatenby. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons Attribution License, que permite el uso ilimitado, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que el autor original y la fuente se acreditan
Financiación:. Este trabajo con el apoyo de la subvención del Instituto Nacional del cáncer 1U54CA143970-01. Los donantes no tenía papel en el diseño del estudio, la recogida y análisis de datos, decisión a publicar, o la preparación del manuscrito
Conflicto de intereses:.. Los autores han declarado que no existen intereses en competencia
Introducción
Todos los sistemas vivos (i) tienen un dominio local delimitado por, por ejemplo, una membrana celular y (ii) mantener un bajo nivel estable de entropía o desorden. El 2
ª ley de la termodinámica requiere entropía a aumentar con el tiempo, pero esto es de naturaleza específicamente mundial. Por lo tanto, la propiedad (i) de la localidad permite que el sistema tenga la propiedad beneficiosa (ii) de baja entropía. En compensación, el 2
ª ley requiere que el local bajo nivel de entropía ir acompañada de exportación de una cantidad aún mayor de entropía en el entorno exterior del sistema. De hecho, esta propiedad no es aplicable sólo a los sistemas vivos - cristales, estrellas y planetas representan igualmente estructuras ordenadas de forma local. Sin embargo, los sistemas vivos difieren de otras estructuras ordenadas en la naturaleza en que
tener entropía interna regular de gradientes con estructuras altamente ordenadas, como la membrana celular y cromosomas, intercalados con componentes mucho menos ordenados, tales como el citoplasma;
mantener estable la entropía, local utilizando energía externa lejos del equilibrio termodinámico;
son capaces de autorreplicación;
almacenar y utilizar la información en forma de códigos genéticos y, posiblemente, otras clasificadas estructuras intracelulares.
morir
por lo tanto, en los sistemas vivos breves son bajos (pero no menos importante) la entropía estados que permanecen estables a pesar de estar lejos de la termodinámica de equilibrio. Esta estabilidad se requiere información para mantener los mecanismos internos que convierten la energía de manera eficiente a la orden. La proliferación y la muerte proporcionan retroalimentación positiva y negativa que permite al sistema mantener la estabilidad, aunque lejos del equilibrio termodinámico.
Hemos demostrado anteriormente [1] que la información en un contexto biológico puede ser vista como la capacidad de facilitar el trabajo . Específicamente, se dirige y cataliza la conversión de la energía y el sustrato del medio ambiente en macromoléculas específicos que, a su vez, mantienen la estructura ordenada de la célula. Por ejemplo, la información en el ADN especifica la estructura de las proteínas. Algunas proteínas pueden funcionar como enzimas en el metabolismo de la energía o la síntesis de lípidos. Otras macromoléculas espontáneamente se auto-ensamblan en orden superior, de bajo consumo, componentes estructurales de la célula, como las proteínas que forman los ribosomas o lípidos formadores de membranas.
Este papel central de la información en el mantenimiento de un sistema vivo es único en la naturaleza y puede representar por sí mismo la posible definición más sucinta de la vida. Una métrica cuantitativa del sistema de "orden" o "complejidad" es "información de Fisher '[1] - [9] (todos ellos son proporcionales, como más adelante). El concepto se ha aplicado ampliamente para vivir y los sistemas no vivos. Aquí nuestro objetivo es examinar la dinámica de información que,
en ausencia de equilibrio termodinámico
, permiten la formación y persistencia de focos locales en el que el trastorno es significativamente menor que la del ambiente circundante. Estas bolsas locales son vistos como sistemas vivos.
Métodos
dos postulados de los sistemas vivos
aumento local de la orden puede ocurrir en los sistemas no vivos tales como cristales. Sin embargo, estos sistemas físicos se mueven siempre hacia un estado de equilibrio termodinámico estable de baja entropía y la energía. En contraste con los cristales, los sistemas vivos mantienen un estado estable de baja entropía que está lejos del equilibrio termodinámico. los parámetros clave del sistema que permiten la estabilidad del sistema vivo son la información y de energía. Este último debe fluir en la célula y a continuación ser convertido a la orden a través de interacciones con el primero. Sin embargo, se propone que los sistemas vivos, fundamentalmente, deben equilibrar los beneficios de una mayor información y la complejidad con el costo de adquisición y mantenimiento de esa información. Por lo tanto, los sistemas vivos no alcanzar el estado de entropía más bajo posible, pero, más bien, un nivel de entropía que permite la proliferación dentro de las limitaciones de información y energía disponible [ver las ecuaciones. (2a, b)].
Lo anterior sugiere el uso de información de Fisher, que es una medida de la entropía y el orden (ver más abajo) y un indicador de coste de la energía, puede ser utilizado para expresar los primeros principios de la termodinámica de los sistemas vivos, de la siguiente manera: Read
los sistemas vivos son no-equilibrio abierta, pero delimitados localmente sistemas termodinámicos, que utilizan la información para convertir la energía del medio ambiente a la orden. La supervivencia de una estructura viva requiere un estado estable de orden pesar de las perturbaciones térmicas y mecánicas continuas. La aparición rápida (en el tiempo geológico) de la vida en la tierra y su durabilidad Desde su primera aparición en el registro fósil indica que los sistemas vivos representan un estado altamente favorable que se puede desarrollar de forma espontánea y permanecer estable y robusto a pesar de una amplia gama de perturbaciones durante miles de millones de años .
La estabilidad de un sistema vivo requiere su contenido de información se mantenga a un valor extremo. Desde su primera derivada es 0, los puntos extremos en el sistema de dinámica de información tienden a ser estables a las perturbaciones del sistema de primer orden. Proponemos la robustez de los sistemas vivos es la prueba de presunción de que su estado es la información, ya sea en un mínimo o máximo valor [Véase, en particular, el material siguiente ecuación. (1)]. Esto se verá a requerir un equilibrio entre la disponibilidad y el coste de la energía en el sustrato del medio ambiente del sistema. Los valores extremos se manifiestan biológicamente de la siguiente manera:
Los procariotas. La disponibilidad de energía de los procariotas está limitada por su sustrato del medio ambiente y la ausencia de orgánulos productores de energía especializados. la disponibilidad limitada de energía limita la dinámica del sistema, de modo que la información que, hemos visto, debe ser mantenida a un valor extremo, sólo puede ser mantenido en su
valor mínimo
. Este mínimo satisface el requisito de nivel I.
Los eucariotas. Eucariotas utilizan orgánulos especializados para la producción de energía incluyendo cloroplastos y mitocondrias. Estos liberan las limitaciones de energía que habían limitado procariotas a un mínimo de información. En este estado, la información se mantiene en un
máximo
. Es decir, cuando la energía es abundante, el beneficio de una mayor información y pedido supera el coste añadido. Esta información cambia de fase se refleja en el aumento del tamaño de la celda y el número de genes en comparación con los procariotas, así como la posterior evolución a, los organismos multicelulares complejos [10].
postulados I y II son la base de nuestra tesis de que la información de Fisher proporciona un plan para el crecimiento y desarrollo de la vida. razones intuitivos y de motivación detrás del uso de estos efectos extremos se dan más adelante. Pero en primer lugar, ¿cuál es la información de Fisher?
Información de Fisher
Considere un sistema con un parámetro característico cuyo valor se busca mediante el análisis de sus datos. Los datos se utilizan para formar una estimación matemática del parámetro. La información que se definió originalmente por R. A. Fisher [11] como una medida de la calidad de los datos sobre el parámetro. Propiedades de información de Fisher se desarrollan en el material de apoyo. Entre ellas se encuentran su carácter "local" y cambiar de forma invariante, con la ley de densidad de probabilidad que define el sistema con una coordenada. En general, la naturaleza de depende de la aplicación, pero en la nuestra es una posición. Más recientemente, [9], se ha encontrado que es una propiedad del sistema, así, la medición de su nivel de "orden" y "complejidad".
Resultados
La adquisición Estable Entropía
un estado extremo en un sistema dinámico, ya que representa un punto máximo en la curva, tiene una primera derivada de 0 y es, por definición, estable a las perturbaciones de primer orden, por ejemplo, debido a factores exteriores tales como cambio de temperatura al azar. De ahí que un sistema vivo que se encuentra en un estado de extrema Fisher información, ya sea un máximo o un mínimo,
obtiene una ventaja de la estabilidad
. Esto tiende a mantenerlo en el estado entrópico estable que, como hemos propuesto, permite que la vida persistir.
Un valor extremo de
I
estabiliza
H
.
Esta propiedad de estabilidad se demuestra fácilmente, por ejemplo, para la amplia gama de leyes de probabilidad que son miembros de la familia exponencial [12] (ver información de apoyo). Hay la entropía y la información de Fisher obedecen [13], respectivamente, y. La eliminación de la cantidad entre les da (1) después de tomar un diferencial. Dado que en las soluciones extremas a continuación, lo mismo. Es decir,
un estado máximo de información de Fisher mínima o estabiliza la entropía gratis (aunque su tasa interna de aumento todavía puede ser finito, por (2a) a continuación). Este resultado aclara la necesidad de que cada sistema estable, que viven para alcanzar un nivel extremo de información de Fisher, ya sea un máximo o un mínimo.
Fisher Me límites de entropía Cambio
Considere una célula de la masa
m
y la temperatura
T
envío entropía fuera de su entorno a una velocidad
dH /dt
. Hemos demostrado anteriormente [2] que no existe un límite superior a la variación de entropía
dH
, y esto depende del nivel de información de Fisher dentro del sistema. La relación es, con definido en la ecuación 2a. Es instructivo combinar esto con la relación entropía-energía básica, dando Estas desigualdades tienen dos ramificaciones, dependiendo de si las tasas de entropía de energía o la información es fija:
Para una tasa fija de pérdida de entropía
cambio de energía por la relación entropía-energía, el valor mínimo posible de la información obedece (2a) donde
k
es la constante de Boltzmann. Estos muestran que una célula con una tasa de entrada de energía de baja restringida, y la tasa de pérdida de entropía resultingly baja, sólo puede mantener un nivel mínimo de información u orden
I
. Proponemos que este estado se manifiesta por procariotas, una forma de vida con relativamente bajo pedido o complejidad.
O, consideramos
un nivel fijo de información
. Las desigualdades anteriores se pueden redefine como casos (2b) Ya consideramos mínima de
I
. Estos procariotas descritos. Consideremos, ahora, el caso contrario, la de alta, es decir, de alto orden, la complejidad y la función. Ecs. (2b) muestran que, a continuación, incluso los tipos mínimos posibles de la pérdida de entropía y la energía de entrada requerida son altos. El precio pagado por el mantenimiento de un estado de alta entropía resultingly orden y estable es mucho mayor utilización de la energía requerida. Este estado, que proponemos, se mantiene en eucariotas, y se manifiesta por grandes genomas y la evolución de la pluricelularidad.
Por lo tanto, la interdependencia de la energía y la entropía proporciona una idea de la transición de las formas de vida de baja complejidad para formas de alta complejidad. También es coherente con las propuestas de que la adquisición de las mitocondrias, proporcionando una nueva fuente de energía, era el factor crítico en la transición evolutiva de procariotas a eucariotas. También puede dar una idea de la transición inversa que por lo general se manifiesta durante la carcinogénesis.
son la información y "orden" Sinónimo?
Nosotros usamos las palabras "orden" y la "información" de manera intercambiable. Tan recientemente encontrado [9]:
Considere un sistema definido por una ley de probabilidades. Su nivel de orden varía linealmente con el nivel de información de Fisher
I
, es decir, el fin (3) Aquí es el número de dimensiones del sistema y es su máximo una extensión dimensional. La primera igualdad es verdadera en general. La segunda sostiene en el caso específico de una ley de probabilidad
p Windows que es una sinusoide cuadrado que contiene meneos en cada dimensión. El cuadrática (fuerte) la dependencia indica que las medidas de nivel de sistema
complejidad
también.
Tanto el orden y la información son las entropías, en el sentido de las diligencias de ordenación del sistema que disminuyen con hora. Esto define de esta manera una flecha del tiempo, tal vez la cuantificación de la flecha biológica muy discutido de tiempo.
La estructura de las células y sus componentes optimizar la información y ordenar antes de
orden requerido de los Estados polímero diferente .
ec. (3) indica que un caso de una estructura de información lineal (tal como la codificada en la secuencia de aminoácidos de ADN, ARN y proteínas) requiere intrínsecamente menos orden (y, por el, menos energía anterior) para mantener su forma hace que una membrana celular, con. Y esto requiere menos energía que la orden o una célula compuesta, de dimensión. Por lo tanto, el mantenimiento de los sistemas de alto orden y complejidad requieren intrínsecamente estados celulares tanto de alta dimensionalidad y, por la Ec. (2b), la tasa de recurso energético
Exigencia de una estructura celular no uniforme
A diferencia de los cristales -.. Que tienen un tiempo relativamente uniforme en todo - los sistemas vivos son heterogéneo y dinámico. Por lo tanto, incluso un procariota sencillo tendrá un borde altamente ordenada (es decir, la membrana celular y la pared celular), pero una estructura central relativamente desordenada (el citoplasma de líquidos) que también contiene muchas moléculas grandes altamente ordenadas, tales como proteínas, ADN y ARN. En otras palabras, las propiedades dinámicas de las células parecen requerir variaciones espaciales en orden, por ejemplo, en la transición de la membrana celular ordenado al citoplasma relativamente desordenada, para mantener un estado estable lejos del equilibrio. El argumento es el siguiente:
una base de información para la mitosis
Una propiedad única de los sistemas vivos es su capacidad de auto-replicarse y, por lo tanto, la termodinámica de la vida deben incluir este proceso.. De hecho, la mitosis y la muerte representan mecanismos de retroalimentación clave que optimizan los parámetros del sistema que permite la estabilidad del sistema incluso mientras lejos del equilibrio termodinámico. Considere la posibilidad de una célula "madre" en desarrollo en un ambiente de energía limitada. Un sistema de vida estable requiere
dH /dt = 0
, y si
dH /dt Hotel & gt; 0 se desaparece y morir. Pero, ¿y si
dH /dt Hotel & lt; 0? Con el tiempo, la complejidad y el orden de este sistema se incrementará. Sin embargo, las ecuaciones. (2b) indican que cuanto mayor es el orden
I
es la más alta son las tasas de pérdida de entropía y la energía necesaria ganancia de
dE /dt
de los alrededores. Por otro lado, el entorno sólo puede proporcionar una tasa de energía limitada, lo llaman (
dE /dt
)
0. ¿En qué medida puede ordenar crecer en la célula? La primera ecuación. (3) proporciona una respuesta.
Como célula funcional crece, también lo hace su complejidad
I
y, por la Ec. (3), su nivel de la orden
R
A continuación, también lo hace su tasa mínima energía de entrada requerida (
dE /dt
). Sin embargo, esta tasa está inevitablemente limitada por el entorno de la célula a un valor máximo (
dE /dt
)
0. Deje que el fin de células
R
crecer hasta alcanzar un nivel de
R
0
, donde su nivel requerido (
dE /dt
)
min
iguales (
dE /dt
)
0. A continuación, el crecimiento más allá del nivel
R
0
no puede ser sostenido por la energía disponible. En este punto, la célula se divide por la mitad, con cada "hija" que contiene el mismo conjunto de genes como la madre. De ahí que cada hija tiene el mismo nivel de información
I
al igual que la madre. Por otra parte, cada uno es de longitud
L /2
, de modo que por la ecuación. (3) cada nivel de orden se reduce, al valor de
R = (1/4) R
0
. Este nivel puede ser una vez más reunió por la velocidad del medio ambiente (
dE /dt
)
0. Por lo tanto, ahora las dos hijas que puedan comenzar un mayor crecimiento en la complejidad; La mitosis etc. soluciona el problema.
El valor de la muerte.
A diferencia de otras estructuras estables en la naturaleza, los sistemas vivos mueren. Claramente cristales y otras estructuras ordenadas se descomponen en las partes componentes, pero ya que están en equilibrio, este proceso es lento. sistemas de estar, sin embargo, son de forma estable lejos del equilibrio de modo de fallo del sistema dará lugar a una transición de fase rápida a equilibrio. La muerte, es decir, representa un cambio de fase de no equilibrio al equilibrio.
Se ha señalado anteriormente que cualquier sistema lejos del equilibrio es inherentemente inestable. Proponemos viviendo sistemas serían igualmente así sin dos mecanismos de retroalimentación críticos - la mitosis y la muerte. La recompensa por el éxito de la proliferación y castigo por el fracaso de la muerte proporciona una fuerte selección local para la optimización de la termodinámica subyacentes. Evolución por lo tanto no surge de la biología. Más bien, es una condición necesaria para la existencia de los sistemas vivos.
Información de Fisher máximo
Uno de los aspectos de la información que no se observa a menudo es su costo. Es decir, la información en su almacenamiento, duplicación, y la utilización requiere un gasto de energía. Como se indica en la ecuación. (2a), el nivel de información local restringe cualquier aumento en la entropía de Shannon con el tiempo.
Prevención Red de tal ganancia, es decir, mantener un estado estable de orden, requiere un gasto de energía de acuerdo con la Ec. (2b). Por lo tanto, los niveles más altos de información requerirán un mayor gasto de energía para mantener un estado estable de orden. Como se ha indicado recientemente [10], los eucariotas mantener un estado de disponibilidad de alta energía (en comparación con los procariotas) debido principalmente al desarrollo de las mitocondrias. Estas células alcanzan una condición física óptima especies [6] mediante la consecución de un alto, de hecho,
máxima
,
nivel de orden e información gratis (ver también la Ec. (3)).
Por lo tanto, el estado energético de los eucariotas les permite mantener la máxima información. Esto es equivalente a maximizar la complejidad, así [9], y se manifiesta por un aumento sustancial en el tamaño y número de genes en procariotas eucariotas vs.. Además, estudios previos utilizando el principio de EPI (Apéndice S1) han investigado las consecuencias esperadas de un sistema que está en su punto máximo de información.
Información de Fisher mínima
Por el contrario, las procariotas no tienen especializada orgánulos metabólicas de modo que la adquisición de energía está limitado al sustrato disponible en el entorno inmediato. En este tipo de sistemas de energía finita, la información se alcanzan los mínimos como la solución estable. Estas son las que se producen en el contraste de los escenarios de uno u otro recurso de alta o baja, nutritivo como se discute a continuación. ¿Qué masa leyes de crecimiento en el tiempo describir tales estados del sistema? Nota que
p (t)
es, en general, la
relativa
ocurrencia de un determinado tipo de célula dentro de un órgano. Si, por ejemplo, a la hora del
t
un tumor ocuparon la cuarta parte de un órgano a continuación, el
p (t) Opiniones de las células cancerosas es 0,25. Por la ley de los grandes números [13], esto es también su
probabilidad de ocurrencia en una sola observación. Por lo tanto, en un órgano canceroso
p (t)
es la masa relativa del órgano que es el cáncer en el momento
t
, de modo que por la ley de los grandes números es también la probabilidad ley para la localización de una célula de cáncer en el órgano a la vez
t
.
la solución para depende de la disponibilidad de recursos nutritivo. Para
in vitro
casos de cáncer, o procariotas, que disfrutan de recurso prácticamente ilimitado a la minimización no está restringido a excepción de la normalización. Esto da lugar [2] para temporalmente exponencial leyes de crecimiento const.
Cáncer como una transición de información desde un máximo a un mínimo
Nuestra hipótesis central es que la estabilidad del estado termodinámico de un sistema vivo exige al estado información para estar en un valor extremo. La transición de procariotas a eurkaryote formas de vida representa una transición de fase desde el mínimo hasta un máximo permitido por la mayor disponibilidad de energía debido a la adquisición de las mitocondrias. Proponemos que el cambio gradual de las células normales al cáncer (carcinogénesis) representa un cambio de fase inversa en la que las transiciones de estado de información desde un máximo a un mínimo. Esta "catástrofe de la información" se manifiesta como la siguiente:
La inestabilidad genómica
La acumulación de múltiples mutaciones genéticas se observa universalmente en los cánceres.. Se estima que las células cancerosas típicos contienen miles de cambios genéticos en comparación con las células de origen. De hecho, se propone que comúnmente se requiere que el fenotipo mutador (es decir, células que no son capaces de reparar el ADN cromosómico o de reproducción, los errores y, por lo tanto, tienen una muy alta tasa de mutación) para formar un cáncer [14].
celular y trastorno del tejido.
a celulares de cáncer de exposiciones característicamente disminución de la función y la morfología desordenada en comparación con las células normales de origen. Del mismo modo, el tejido compuesto por células cancerosas pierde el orden estructural (desdiferenciación y displasia) y las limitaciones de crecimiento normales.
Incapacidad para medir el tiempo.
Una característica distintiva [15] de las células cancerosas es la inmortalidad, de modo que su proliferación es inapropiada, tanto en el contexto de la formación de tejido y de su edad. Los telómeros son pequeñas secciones de ADN en el extremo de cada cromosoma que acortan cada vez que una célula normal se somete a mitosis. De esta manera la célula puede "saber" su edad y después de llegar a la senescencia se somete a la muerte programada. Sin embargo, los cánceres suelen carecer de esta medida de envejecimiento.
El crecimiento del cáncer clínica
La pérdida de información y
Hemos demostrado previamente que la hipótesis de que las células cancerosas se aproximan asintóticamente un mínimo de información permite la predicción de la dinámica de crecimiento. Específicamente, se encontró que
in situ
la ley de crecimiento de una población en un mínimo de información (es decir, ya sea un procariota o una célula de cáncer) es una ley de potencia simple, donde es una constante que es apropiado para el tipo de célula [2], [7], [8]. El modelo predice que, para el crecimiento del cáncer, α≈1.62. Esta predicción se comparó con el crecimiento de los cánceres de mama pequeños encontrados durante las mamografías de detección cuando el tumor se pudo observar en retrospectiva en dos o más estudios previos. Siete estudios independientes encontraron que los cánceres mostraron un crecimiento de ley de potencia con un valor medio de α = 1,72 (0,23), que es similar a la observada in vivo el crecimiento de las bacterias con α≈2 [16] - [22].
¿Por qué desarrollar cáncer? - Warburg revisited
Si la carcinogénesis representa un cambio de fase de información desde un máximo a un mínimo, también tenemos que hacer frente a la dinámica del sistema que impulsa dicha transición. Hemos sostenido que la evolución de los eucariotas fue permitido por la adquisición de mejora de la dinámica de energía que permitieron un cambio de fase a un estado máximo de información. Debemos concluir que, dado que los dictados de estado de energía de una célula que extrema - máximo o mínimo - es favorecida, es una pérdida de energía dentro de una célula madre que inicia la carcinogénesis. Específicamente, la pérdida debe dar lugar a la limitación de energía tal que la célula ya no puede mantener, con la estabilidad, un estado de máxima información. En lugar de ello, sólo se puede mantener con estabilidad el estado de
mínimo información
que es característica del cáncer. Esto no está en desacuerdo con el modelo estándar de la carcinogénesis, que asume los cánceres son iniciados por las mutaciones. Sin embargo, nuestro modelo sugiere que tales mutaciones son una manifestación de la degradación de la información que resulta de la transición de fase impulsada por energía a partir de un máximo a un mínimo. Por lo tanto, mientras que las mutaciones del genoma puede dar lugar a propiedades fenotípicas que permiten el crecimiento sin restricciones,
Nuestro modelo sugiere que el inicio de la secuencia de mutación que da lugar a la carcinogénesis es el resultado de una restricción de la energía adquirida
.
Si bien este punto de vista es en clara contradicción con el modelo convencional de la carcinogénesis, no tiene precedentes. La "hipótesis de Warburg" propone que el suceso iniciador en el cáncer fue una pérdida de la función mitocondrial [23]. Nuestro trabajo previo ha [24], [25] observó que la producción de energía en los tumores premalignos puede ser limitado por la hipoxia medio ambiente (como resultado de, por ejemplo la inflamación crónica) y que esto puede ser un paso crítico en la transición a cáncer invasivo. Por último, es interesante que el papel de la disfunción mitocondrial en tanto el envejecimiento y el cáncer es actualmente un tema de considerable interés en la investigación. [26], [27].
Discusión
El rápido desarrollo de los sistemas vivos en el registro geológico y su presencia continua de más de 3,5 mil millones de años indica la vida representa un estado termodinámico muy favorable. Los sistemas vivos son a la vez muy estable y sin embargo capaz de desarrollar progresivamente más compleja (u ordenado) establece con el tiempo. Proponemos un modelo que incluye explícitamente la dinámica de información en la termodinámica del sistema pueden explicar estas propiedades [2] - [5], [7]
La idea de buscar un principio de variación transversal que podrían predecir tanto física. y los efectos biológicos se propuso hace unos 40 años por los biólogos de población Crow y Kimura [28] y, aun antes que ellos, por Delbrück [29]. Más recientemente, el físico E.T. Jaynes [30] propuso un principio de máxima entropía para derivar todas las leyes estadísticas de la naturaleza en.
Nuestros vistas de modelos de sistemas como un estado de entropía estable, que es baja, sin embargo, lejos del equilibrio termodinámico que viven. La entropía de los sistemas vivos no lo hace (a diferencia de, por ejemplo, cristales) representan el valor más bajo posible de orden para ese sistema. Más bien, la vida mantiene un estado de "Ricitos de Oro" de la entropía (no demasiado y no demasiado poco) que produce un estado termodinámico óptimo que permite la estabilidad y la auto-reproducción. La muerte y la proliferación son mecanismos de retroalimentación críticos que optimizan los parámetros del sistema para permitir la estabilidad, incluso aunque no en equilibrio.
Esta estabilidad requiere el uso de la información para convertir la energía del medio ambiente a fin intracelular. Proponemos el primer principio de los sistemas vivos es un compromiso entre (i) la información interna necesaria para convertir la energía del medio ambiente y el sustrato en orden, y (ii) el costo de almacenamiento y utilización de ese nivel de orden. Es decir, incluso dentro de la gama 'ricitos de oro "de la entropía que es compatible con la vida, los niveles más altos del orden también requerirán el sistema para obtener mayores cantidades de recursos del medio ambiente.
La estabilidad de los sistemas vivos, indica que sus estados termodinámicos son los valores extremos, que son estables por lo menos a las perturbaciones de primer orden [31]. En cuanto a si el valor de extremo es un mínimo o un máximo depende en gran medida el nivel de energía disponible. Sobre esta base, los sistemas vivos más antiguos mantienen
información mínima debido a las restricciones de energía. Este estado se observa todavía en procariotas.
En comparación, una transición de fase posterior a la máxima información se produjo después de la adquisición de los orgánulos energéticos especializados, tales como las mitocondrias. Esto dio lugar a un cambio de fase celular (visto en el registro fósil como la evolución) de procariotas a eucariotas. La máxima información en este último se refleja en un mayor número de genes y el tamaño de celda más grande y complejidad. La máxima información, proponemos, también permitió la aparición de pluricelularidad.
Por el contrario, se propone la evolución de una célula de mamífero normal en una célula de cáncer representa una transición de fase de información desde un máximo a un valor mínimo, probablemente a través de un número de compuestos intermedios inestables. Nuestro modelo indica que esta transición puede ser iniciado por la pérdida de energía a través de factores intra o extracelulares. En particular se observa la posibilidad de la disfunción mitocondrial como un iniciador de la carcinogénesis metabólica. Esto es muy similar a la Hipótesis de Warburg que se propuso hace más de 50 años y con el apoyo de la investigación más reciente [32], incluidos los estudios que muestran la disfunción mitocondrial está estrechamente relacionado con el envejecimiento y la senescencia [26], [27].
Apoyo a la Información
Apéndice S1.
Explicación detallada de Información de Fisher y sus propiedades
doi:. 10.1371 /journal.pone.0022085.s001 gratis (DOC)