生命的基础组成原件是细胞，从信息论的视角来看，热力学第二定律要求，细胞会在保持局部的低熵水平，同时伴随着向系统外部环境输出更多的熵。维持这种远离平衡态的稳定，需要信息方可维持。而当细胞内信息最小化发生时，细胞就会转变为癌细胞。本文介绍这种基于信息论视角下的癌细胞成因理论[1,2]，支持证据及其应用，这样的研究，可视为信息论、热力学与生命之间普遍联系的一个具体案例。《生命是什么》一书中，薛定谔对生命给出的定义是“负熵”，也就是说，生命系统是低熵态（但不是熵最低的状态），能够在远离热力学平衡的同时，仍然保持稳定。为此在你的身体中，每时每刻细胞都在根据DNA中的核酸序列，由核糖体翻译形成蛋白质，这一复杂的过程，目的是维持各个细胞的内部机制，有效地将能量转化为秩序。具体来说，上述过程引导和催化能量和底物从环境中转化为特定的大分子，从而维持细胞的有序结构。例如，DNA中的信息指定了蛋白质的结构。一些蛋白质可能在能量代谢或脂质合成中起酶的作用。其他大分子自发地自组装成细胞的高阶、低能量结构成分，例如形成核糖体的蛋白质或形成膜的脂质。与无生命晶体相比，生命系统保持着低熵的稳定状态，远离热力学平衡。允许生命系统稳定的关键系统参数是信息和能量。能量必须流入细胞，然后通过与信息的相互作用转换为秩序。生命系统必须从根本上权衡信息和复杂性增加的好处与获取和维护这些信息的成本。因此，生命系统没有达到尽可能低的熵状态，而是达到一个熵水平，允许在可用信息和能量的约束下扩散。针对这样的权衡，更原始的原核细胞和进化中后出现的真核细胞给出了不同的回答。原核细胞的能量可用性受到其环境基质和缺乏专门的能量产生细胞器的限制。有限的能量可用性限制了系统动力学，因此，我们看到的信息必须保持在最小值。而真核生物利用专门的细胞器产生能量，包括叶绿体和线粒体。这些细胞器释放了将原核生物限制在信息最低限度的能量限制。在此状态下，信息将保持在最大值。也就是说，当能源充足时，增加信息和秩序的好处超过了增加的成本。与原核生物相比，这种信息相位变化反映在细胞大小和基因数量的增加，以及随后进化为复杂的多细胞生物。在癌细胞中，普遍可观察到多种基因突变的积累，学界普遍认为变异的积累是癌细胞形成的必要因素。据估计，与正常的细胞相比，典型的癌细胞包含数千种遗传变异，这些变异的后果，如同交给建筑师一幅被反复涂改的设计图，建筑师据此自然难以建造摩天大厦。而从信息的视角来看，突变的累积意味着细胞内可用信息的减少。与正常起源细胞相比，癌细胞的特征性表现为功能减弱和形态紊乱。而在从细胞中存储的信息来看，癌细胞的基因组不稳定（不同正常细胞每条染色体出现2次，癌细胞经常出现部分染色体只出现一次或多次）。故而，由癌细胞组成的组织失去结构秩序（去分化和发育不良），并不受正常生长限制。癌细胞的一个标志是永生，因此在组织形成和年龄的背景下，它们的增殖都是不该发生的的。端粒是每条染色体末端的一小段DNA，每次正常细胞经历有丝分裂时都会缩短。通过这种方式，细胞可以“知道”它的年龄，并在达到衰老后经历程序性死亡。然而，癌细胞通常缺乏这种衰老指标。癌细胞的能量需求远大于正常细胞的能量需求。但癌细胞的能量需求不是通过氧化磷酸化来满足的，而是通过糖酵解来满足，氧化磷酸化在葡萄糖的氧化效率最高，而糖酵解具有非常低的能量效率，还会产生副产物乳酸。这意味着必须消耗更多的能量（葡萄糖分子）以保持癌细胞的活力。之所以细胞会采取这种浪费更多能量的方式，是由于环境缺氧（慢性炎症）导致的变异积累，最终导致的信息丢失，使得细胞从信息最大的稳态发生相变，转换为能量最小时的相变态，这意味着引起致癌作用的突变序列的启动是获得性能量限制的结果。根据上述信息最小态理论推演，癌组织的生长符合幂律定量 ，其中 是一个适合细胞类型的常数。模型预测，对于癌组织的生长，α≈1.62。该预测与在筛查乳房 X 光检查期间发现的小乳腺癌的生长进行了比较。七项独立研究发现，癌组织的表现出幂律生长，平均值为α = 1.72（ 0.23）。组织良好的，能正常发挥功能的免疫系统，细胞和分子之间具有紧密调节和协调的相互作用。同时，免疫细胞的多样性和一定程度的随机性也可能有利于识别各种病原体。通过这种方式，致癌作用被解释为修复机制中信息的丢失，而癌症转移与蛋白质-蛋白质相互作用网络的熵增加有关。健康或受肿瘤影响的免疫系统的细胞群内和细胞群之间的信号通路创造了一个通信网络，该网络涉及通过通信通道在发送者和接收者之间编码、通信和解码信息。而癌细胞的出现，会干扰免疫系统的正常运作（免疫逃逸）。这可以看成在正常状态下，免疫系统间的沟通信道的容量更大，而癌细胞的出现增加了噪声，阻碍了免疫系统的协调，从而使得癌组织逃过免疫系统的打击。通过测量输入（信号）在噪声下的响应获得了多少有关输入的信息，可以通过使用互信息减少的不确定性来量化。互信息使研究人员能够明确量化传输的信息，从而估计拥挤环境中信号通路的信道容量;据此，在免疫肿瘤学中，已出现多种量化动态系统的直接方法，可衡量免疫系统在癌症细胞中收到了多大程度的干扰。基于互信息，KL散度等信息论提供概念工具，已有多项研究据此考察癌组织和免疫系统的相互作用[3]。基于互信息的概念，也可开发临床应用，例如基于转录水平的数据，来选择个性化和有效的癌症治疗方式[4]。通过量化互信息，还可以开发衡量癌组织是否响应靶向治疗的方法[5]，可在包含众多非线性关系的免疫环境下量化是否出现耐药性。生命系统既非常稳定，又能够随着时间的推移逐渐发展出更复杂（或有序）的状态。为此，生命需保持着一种“金发姑娘”的熵状态（不要太多也不要太少），产生最佳的热力学状态，允许保持稳定和自我繁殖。死亡和增殖是关键的反馈机制，它们优化了系统参数，即使在不处于平衡状态时也能保持稳定。在上述一般性的叙述中，可以产生信息论视角下的癌症起源理论，将癌细胞的诞生视作一种应对能量与信息权衡中的相变，由于能量限制，最早的生命系统保持了最低限度的信息，而癌细胞从真核生物的最大信息转换为了最小信息态。而为了逃避免疫系统的打击，癌细胞还会干扰免疫系统的正常通讯，这反过来启发研究者，利用信息论中的互信息作为工具，去考察癌细胞和免疫系统的相互作用，并开发指导精准治疗的方法。上述的案例，展示了信息论，热力学的视角和工具在研究生物体复杂性上的广泛应用潜力。[1] https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0022085
[2] https://doi.org/10.3390/app11093897
[3] https://www.cell.com/trends/cancer/fulltext/S2405-8033(20)30340-X
[4] https://www.cell.com/trends/cancer/fulltext/S2405-8033(20)30340-X#bb0185
[5] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34237504/
