Theoretical Biology & Medical Modelling, 2005; 2: 26-26 (más artículos en esta revista)

La complejidad de los sistemas anatómicos

BioMed Central
Fabio Grizzi (fabio.grizzi @ humanitas.it) [1], Maurizio Chiriva-Internati (maurizio.chirivainternati @ ttuhsc.edu) [3]
[1] Scientific Direction, Istituto Clinico Humanitas, IRCCS, Via Manzoni 56, 20089 Rozzano, Milan, Italy
[2] Michele Rodriguez Foundation, Scientific Institute for Quantitative Measures in Medicine, Via Ludovico Di Breme 79, 20100 Milan, Italy
[3] Department of Microbiology & Immunology, Texas Tech University Health Sciences Center and Southwest Cancer Treatment and Research Center, 79430 Lubbock, Texas, USA

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Resumen
Antecedentes

La concepción anatómica de las entidades como una jerarquía de formas infinitamente con educación y el aumento del número de sub-anatómicos observados entidades y variables estructurales ha generado una creciente complejidad, por lo tanto, poner de relieve las nuevas propiedades de la materia biológica organizada.

Resultados

(1) Complejidad es tan omnipresente en el mundo anatómico que ha llegado a ser considerada como una de las principales características de los sistemas anatómicos. (2) Anatómico entidades, cuando mires al microscópica, así como el nivel de observación macroscópica, muestran un diferente grado de complejidad. (3) La complejidad puede residir en la estructura anatómica del sistema (que tiene muchas partes con diversas variables o interacciones una intrincada arquitectura) o en su comportamiento. A menudo la complejidad en la estructura y el comportamiento van de la mano. (4) Complejo admitir muchas descripciones de los sistemas (maneras de ver el sistema) cada una de las cuales es sólo parcialmente cierto. Cada forma de ver un sistema complejo requiere su propia descripción, su propio modo de análisis, y su propia descomposición del sistema en diferentes partes; (5) Casi todas las entidades de visualización anatómica jerárquicas formas: su componente de las estructuras a diferentes escalas espaciales o Su proceso en diferentes escalas de tiempo están relacionados entre sí.

Conclusión

La necesidad de encontrar una nueva manera de observar y medir entidades anatómicas, y la cuantificación objetiva de sus diferentes cambios estructurales, nos llevó a investigar la falta de geometrías euclidiana y las teorías de la complejidad, y de aplicar sus conceptos a la anatomía humana. Este esfuerzo nos ha llevado a reflexionar sobre el complejo significado de la forma de una entidad anatómica observada. Sus cambios se han definido en relación con las variaciones en su estado: de la normalidad (es decir, natural) a un estado patológico o alterado la introducción de los conceptos de la cinemática y la dinámica de las formas anatómicas, la velocidad de sus cambios, y la de su escala de observación.

Antecedentes

Desde principios del decenio de 1950, el concepto de conformación espacial, en general, inorgánicos, orgánicos y biológicos en particular la química ha asumido un papel fundamental en el estudio de las distintas propiedades de las macromoléculas biológicas (ácidos nucleicos, proteínas, hidratos de carbono, lípidos) [1]. Debido a la tecnología de tres dimensiones de análisis, este concepto se utiliza actualmente en la biología moderna. Los polímeros biológicos que se han estudiado más ampliamente en términos estructurales y funcionales son proteínas y ácidos nucleicos (ADN y ARN) [2 - 5].

Es bien sabido ahora que la información necesaria para determinar la estructura tridimensional de una proteína es totalmente lineal que figuran en su secuencia de aminoácidos. Asimismo, es sabido que los cambios bruscos en las condiciones ambientales (pH, temperatura, presión) puede alterar reversible o irreversible de la estructura tridimensional de una macromolécula biológica, y, por tanto, modificar su función específica [6]. Sin embargo, el cambio conformacional todavía es un concepto ampliamente debatido. La definición de la conformación espacial de bien un microscópico o macroscópico estructura anatómica (sub-entidad celulares, de células, tejidos, órganos, aparatos, organismo), y la definición de un cambio o modificación en su forma, son todavía problemas no resueltos, mucho Debatida por morphologists contemporáneo [7 - 12].

En su sentido general, el término se refiere a la estructura de propiedad resultantes de las configuraciones de las piezas que forman un Plenario y de sus relaciones recíprocas entre sí y con el propio Plenario. Sobre la base de esta definición, dos propiedades de todos los sistemas anatómicos compuesto de materia biológica organizada pueden destacarse:

A. Cada estructura anatómica es capaz de expresar una función particular en un contexto particular;

B. Las diferentes configuraciones y funciones de una entidad anatómica surgir de la superposición de estructuras organizadas en niveles jerárquicos.

El término "materia biológica organizada 'se refiere a todo lo que (1) tiene su propia forma y dimensión, es decir, el espacio de llenado de propiedad, y (2) puede reproducir o replicar en sí de tal manera que se dé lugar a" entidades "que son similares En la forma, dimensión y propiedades funcionales a sus progenitores.

Es bien sabido que las células se diferencian en sus formas, dimensiones y tamaños. Todas las células que componen un adulto organismo se derivan de una sola de células progenitoras, de la que surge un enorme número de células con diferentes formas, dimensiones, tamaño, composición química y características fisiológicas en un complejo y dinámico proceso conocido como diferenciación celular [1, 13] .

Ciertas células específicas, el particular y, en consecuencia, característica invariable de formas, independientemente de si son aisladas o agrupadas de forma más compleja anatómica entidades conocidas como los tejidos (Figura 1]. Sin embargo, otras células están sujetas a cambios conformacionales que dependen sobre todo de la acción mecánica ejercida por su entorno, la compresión inducida por las células contiguas, y cualquiera de las complicadas relaciones entre las células y la matriz extra celular-que participan en la creación de tejido, o La tensión superficial del líquido biológico en el que las células están inmersos [11, 12].

Las células del parénquima del hígado (hepatocitos) son aproximadamente poliédrica in situ, pero, cuando se disocian y sumergido en un medio de cultivo, poco a poco adquieren una forma esférica (Figura 1] [14, 15]. Ha sido ampliamente demostrado que las células agrupadas respetar las leyes de cytomorphogenesis (morfogénesis el desarrollo de las células) por explotar al máximo el espacio disponible para ellos [7]. La variabilidad o la constancia de la célula también depende de la forma física el apoyo prestado por el interior del citoesqueleto [16 - 20].

El hecho de que todos los organismos vivos se pueden clasificar en función de su aparición es una indicación importante de que cada uno tiene una forma específica (es decir, uno que es conservado por cada ejemplo de la misma especie). El criterio morfológico es, por tanto, de gran importancia en la identificación y clasificación de los organismos vivos taxonómicamente.

Nuestro objetivo es dar sentido a la compleja caracterización de las formas anatómicas de las entidades de un modo similar a la que ofrece en la conformación espacial ciencias químicas. Este esfuerzo nos ha llevado a reflexionar y discutir el significado complejo de la forma de una entidad anatómica observada. Sus cambios se han definido en relación con las variaciones en su estado: de la normalidad (es decir, natural) a un estado patológico o alterado, la introducción de los conceptos de la cinemática y la dinámica de las formas anatómicas, el de la velocidad de sus cambios, y la de escala de Su observación.

La complejidad de los sistemas vivos

A diferencia de una entidad anatómica, y ello a pesar de que tiene una forma única, un cristal no tiene tamaño definido de manera inequívoca que se puede utilizar para la clasificación, un pequeño cristal de una determinada sustancia tendrá siempre la misma estructura general como un gran cristal de la Mismo tipo.

Cualquier fragmento de un cristal tiene las mismas características físicas y químicas como todo el cristal, pero esto no es cierto en el caso de cualquier fragmento de un organismo vivo debido a que la composición química y las propiedades físicas de las partes individuales no se corresponden con la composición del Plenario. Además, los diversos componentes de un sistema de vida se caracterizan por la integración de los precisos criterios funcionales que forman su conjunto [21].

Volviendo una vez más a los cristales, sus estructuras macroscópicas pueden ser fácilmente predecir sobre la base de sus estructuras microscópicas; les falta lo que se denominan propiedades emergentes: es decir, los que dependen estrictamente en el nivel de organización de los materiales que se observó (Figura 2].

La existencia de diferentes niveles de organización se rige por diferentes leyes fue indicado por systemist biólogos, que destacó que una característica fundamental de la organización estructural de los organismos vivos es su naturaleza jerárquica (Figura 2]. Una de las características pre-eminentes de todo el mundo de los seres vivos es su tendencia a formar estructuras de varios niveles de "sistemas dentro de sistemas", cada una de las cuales forma un Plenario en relación con sus partes y es a la vez parte de un Plenario.

Systemism nació en la primera mitad del siglo XX como reacción a la anterior mecánica de movimiento (también conocido como el reduccionismo). Se basa en la conciencia de que clásica causal / determinista esquemas no son suficientes para explicar la variedad de interacciones que caracterizan los sistemas vivos. Los avances en los campos de la biología y la cibernética llevó a la proposición de nuevos modelos de interpretación que se adapta mejor a la identificación y descripción de la complejidad de los fenómenos que ya no pueden ser considerados como entidades aisladas abstracta divisible en partes o explicables en términos de causalidad temporal, pero Debía ser estudiada en términos de la interacción dinámica de sus partes. La palabra sistema significa "poner juntos". Comprensión sistémica significa literalmente poner las cosas en un contexto y establecer la naturaleza de sus relaciones, e implica que los fenómenos observados en cada nivel de organización (moléculas, entidades sub-celulares, células, tejidos, órganos, aparatos y organismos) tienen propiedades que hacer No se aplicarán los niveles más altos o más bajos (Figura 2].

Como ya hemos dicho, de acuerdo con el pensamiento sistémico, las propiedades esenciales de un ser vivo pertenece a la Plenaria y no a sus partes componentes. Esto llevó a la fundamental descubrimiento de que, contrariamente a la creencia de René Descartes, los sistemas biológicos no se puede entender a través de la reducción [21 - 24]. Las propiedades de cada uno de los componentes sólo puede entenderse en el contexto más amplio de la Plenaria.

El biólogo y epistemólogo Ludwig von Bertalanffy siempre el primer teórico de construcción de la compleja organización de los sistemas vivos [25]. Al igual que otros biólogos orgánica, está firmemente convencido de que, para comprender los fenómenos biológicos, los nuevos modos de pensamiento que iba más allá de los métodos tradicionales de las ciencias físicas se requiere [26, 27]. Según Bertalanffy, los seres vivos deben ser considerados como sistemas complejos con actividades específicas para que los principios de la termodinámica de "cerrado" los sistemas estudiados por los físicos no se aplican. A diferencia de los sistemas cerrados (en el que un estado de equilibrio se establezca), siguen siendo sistemas abiertos en un estado estacionario lejos de equilibrio y se caracterizan por la entrada y salida de materia, energía e información [28].

James Grier Miller introdujo por primera vez el Sistema de Teoría de Vida (LST) acerca de la forma de vida de los sistemas de trabajo ", la forma en que mantienen a sí mismos y cómo desarrollar y cambio [29]. Por definición, los sistemas vivos son abiertos, la libre organización de los sistemas que tienen las características peculiares de la vida y de interactuar con su medio ambiente. Esto se lleva a cabo por medio de la información, intercambio de materia y energía. El término auto-organización define un proceso evolutivo donde el efecto del medio ambiente es mínimo, es decir, cuando la generación de nuevas estructuras complejas se lleva a cabo fundamentalmente a través de y en el propio sistema [30, 31]. En los sistemas abiertos, es el flujo continuo de la materia y la energía que permite que el sistema a la libre sindicación y de intercambio de entropía con el medio ambiente. El apoyo de un gran número de datos científicos, LST afirma que todos los que viven gran variedad de entidades de la evolución que se ha generado estructurada compleja en sistemas abiertos [32]. Mantienen termodinámicamente improbable estados de energía dentro de sus fronteras por la continua interacción con su medio ambiente [32 - 34].

LST indica que los sistemas vivos existen en ocho niveles de complejidad creciente: las células, los órganos, organismos, grupos, organizaciones, comunidades, sociedades y sistemas supranacionales [29, 32 - 34]. Todos los sistemas vivos se organizan en los subsistemas críticos, cada uno de los cuales es una estructura que realiza un proceso de esenciales para la vida. Un subsistema es, pues, identificados por el proceso que lleva a cabo. LST resultado es un enfoque integrado para el estudio de sistemas biológicos y sociales, la tecnología relacionada con ellos, y los sistemas ecológicos de los que forman todas las partes [35, 36].

Exploración de los fenómenos de la vida a niveles cada vez más microscópica (genoma) muestran que las características de todos los sistemas vivos están codificados en los cromosomas a través de una única sustancia química que tiene un código de transcripción universal [1]. En este sentido, la investigación biológica en buena medida se reduccionista (es decir, participan cada vez más en el análisis de datos moleculares). Al igual que su mecanicista del siglo XVII predecesor, que produce una enorme cantidad de datos significativos en relación con la estructura exacta de cada uno de los genes sin saber cómo comunicarse y cooperar entre sí en el desarrollo de un organismo y de sus modificaciones estructurales y funcionales. A través de continuos avances fundamentales en biología celular y molecular, los biólogos moleculares descubrieron los ladrillos de construcción básicos de la vida, pero esto no ayuda a comprender los procesos fundamentales de integración de los seres vivos [21 - 24]. Como Sidney Brenner dijo: "De una manera, que se puede decir que todos los trabajos genéticos y biológicos de los últimos sesenta años puede considerarse un largo interludio .... Hemos cerrado el círculo - de vuelta a la izquierda detrás de los problemas sin resolver. ¿Cómo funciona un organismo dañado regenerar con exactamente la misma estructura que había antes? ¿Cómo funciona el organismo la forma de huevo? .... En los próximos veinticinco años, vamos a tener que enseñar a los biólogos otro idioma .... No sé todavía lo que su nombre es; nadie hace ... ... Es probablemente erróneo creer que la lógica está en todo nivel molecular. Puede ser que tendremos que ir más allá de los mecanismos de un reloj "[29].

De hecho, un nuevo idioma se ha convertido en los últimos años que hace posible interpretar y comprender los organismos vivos como sistemas altamente integrados [26, 37 - 46]. Basado en el concepto de la complejidad de la vida, este lenguaje ha dado lugar a varias ramas de estudio de la estructura y la organización de los organismos vivos (como la geometría fractal de Benoit Mandelbrot y otros no geometrías euclidiana [47]] y la Fenómenos biológicos que tienen lugar dentro de ellas (como la Teoría de los Sistemas Dinámicos, Teoría de las catástrofes de René Thom, y la Teoría del Caos [48 - 52]].

La cinemática y la dinámica de las formas anatómicas

Por lo tanto, sería conveniente introducir el concepto de la complejidad de la forma anatómica en las ciencias y fomentar la toma de conciencia de que una estructura anatómica observada en el nivel sub-microscópico se rige por leyes diferentes cuando se la observa a nivel microscópico o macroscópico (Figura 3].

Uno de los problemas fundamentales de la mente humana es la de la sucesión de formas, presentado por René Thom, en su libro "Stabilité Structurelle et Morphogenèse. Essai d'une théorie générale des modèles ", publicado por primera vez en 1972 [48]. Cualquiera que sea la naturaleza última de la realidad puede ser, es innegable que nuestro Universo contiene una gran variedad de objetos naturales y los seres vivos. Estas cosas son las formas y el ser: es decir, estructuras dotadas de una cierta estabilidad morfológica y funcional que ocupan una cierta porción del espacio y el pasado un cierto periodo de tiempo. Es un lugar común de que el Universo es un incesante nacimiento, el desarrollo, y la destrucción de las formas [48].

La sucesión de las formas anatómicas de este modo nos lleva a definir:

A. La cinemática de las formas anatómicas, que los estudios temporales transformaciones anatómicas de una forma sin tener en cuenta la naturaleza de las entidades a las que pertenece o las causas de los cambios (Figura 4a]. Cuando un formulario de cambios anatómicos, uno o más de sus cualidades es modificado, en comparación con las formas anatómicas similares que se consideran sin cambios: por ejemplo, una célula puede cambiar su forma o uno de sus asociados cualidades en un tejido en el que otras células siguen siendo los mismos. El conjunto de formas sin cambios anatómicos que se denomina sistema de referencia. Una célula, por consiguiente, puede decirse que se encuentra en un estado de estabilidad morfológica o una fase de modificación en relación con un determinado sistema de referencia, en función de si su forma es la misma o varía con el tiempo en comparación con las otras células en el sistema (es decir, El tejido).

B. La dinámica de la forma anatómica, que en el tiempo los estudios de las transformaciones de una forma anatómica en relación con las causas de los cambios. Una forma anatómica en un estado de estabilidad morfológica tiende a preservar su forma en el espacio circundante. Sin embargo, si aplicamos todo (interna o externa) factor u, que abandona este estado de 'descanso' y entra en una fase de modificación (Figura 4b]. Este factor, que puede considerarse como una verdadera fuerza física, pueda actuar sobre los elementos que determinan la forma del sistema (por ejemplo, en las células del sistema: el plasmalemma o citoesqueleto) y / o la determinación de su función o de sus puntos internos (por ejemplo, el núcleo , Mitocondrias, y el buen y retículo endoplasmático rugoso) [53]. El cambio de forma puede ser considerada como una dinámica no lineal del sistema que avanza a través de los estados que son cualitativamente diferentes (Figura 4]. La palabra 'estado' se refiere a la pauta de configuración de un sistema en un determinado instante, que se especifica mediante un gran número de variables dinámicas. Un sistema dinámico puede ser caracterizado por un conjunto de diferentes estados o configuraciones posibles patrón (x) y una serie de transiciones o etapas (x) de un estado a otro durante un cierto intervalo de tiempo (t). Cuando las transiciones son causados por un elemento generador (u), el comportamiento temporal del sistema puede ser descrito por la ecuación general:

X = f (x, u, t)

Donde f es una función no lineal y el punto indica una diferenciación con respecto al tiempo (t).

C. La velocidad del cambio es el tiempo necesario para un cambio en la forma que se produzcan o para el desarrollo de una diferencia perceptible entre la entidad y modificados sin cambios su sistema de referencia. En términos cuantitativos, significa que la rapidez de la transformación de la forma anatómica. Sin embargo, el parámetro de tiempo depende de un gran número de variables que están interconectados en una multitud de formas y de una manera no lineal [53]. Esto hace que sea muy difícil predecir exactamente el intervalo de tiempo entre dos estados. Aunque los cambios conformacionales son un continuo, en sucesivos estados de diferenciación se basa en las diferencias de forma, dimensiones o actividad funcional (Figura 4].

Modelización de la complejidad de los seres vivos debe tener en cuenta la 10-12 el orden de magnitud lapso de plazos de los eventos en los sistemas biológicos, ya sean moleculares (canal ion gating: 10 -6 segundos), celular (mitosis: 10 2 -10 3 Segundos), o fisiológicas (la progresión del cáncer, el envejecimiento: 10 8 segundos).

D. La escala de observación, es decir, el nivel en que la partes interrelacionadas de una compleja estructura se está estudiando.

Cabe destacar que los patrones morfológicos observados a menudo pueden ser conceptualizados como macro-escala de las manifestaciones de los procesos de micro-escala. Sin embargo, observaron patrones o sistema de estados se crean o influenciado por múltiples procesos y controles. Además, los múltiples procesos funcionan en múltiples escalas espaciales y temporales, tanto más grandes y más pequeñas que la escala de observación.

También es necesario destacar que no hay un "verdadero" valor de la medición [52]. El valor medido de cualquier propiedad de un objeto biológico depende de las características del objeto. Cuando estas características dependerá de la resolución de la medición, el valor medido depende de la medición de resolución. Esta dependencia se llama relación de la ampliación [47]. Auto-similitud se especifica de qué manera las características de un objeto depende de la resolución y, por lo tanto, determina la forma de medir el valor de una propiedad depende de la resolución [47, 52].

Concluyentes puntos clave

Uno de los problemas básicos en la evaluación de las formas complejas de vida y sus cambios es la forma de analizarlos cuantitativamente. Si bien el pensamiento matemático no ha tenido el mismo impacto en la biología y la medicina como en la física, el matemático George Boole señaló que la estructura de la materia viva está sujeta a relaciones numéricas en todas sus partes, y que todas sus acciones son mensurables dinámico y conectado Definido por las relaciones numéricas. Boole vio pensamiento humano en términos matemáticos y, dada su naturaleza, las matemáticas ocupa un lugar fundamental en el conocimiento humano.

Los orígenes de los intereses de la humanidad en las matemáticas de forma volver a los tiempos antiguos, cuando coincidió con la manifestación de las necesidades prácticas y específicas, de manera más general, la necesidad de describir y representar el mundo que les rodea. El uso de la geometría para describir y comprender la realidad es esencial, ya que permite reconstruir el orden inherente racional de las cosas. Según Pitágoras, el conocimiento real es necesariamente matemático. Esta idea continuó hasta los primeros años del siglo XVII, cuando Galileo propuso volver a las observaciones formuladas por Pitágoras, sin modificación sustancial, afirmando que el Universo está escrito en el lenguaje de las matemáticas, cuyas letras son triángulos, círculos y otras geométricas Cifras.

Sin embargo, durante la primera mitad del siglo XX, se descubrió que la lengua geométrica de Euclides, no es el único medio posible de hacer formulaciones axiomático, pero que existen otras geometrías que son tan consistentes como la geometría clásica. Esto dio lugar a la aparición en escena de nuevos lenguajes geométricos capaz de describir nueva imaginación espacial en términos rigurosos. Si bien las sucesivas generaciones de matemáticos fueron la elaboración de un gran número de nuevas geometrías no-euclidiana, el inicio del siglo XX se produjo el descubrimiento de los objetos matemáticos que parece a primera vista ser poco más que curiosidades carece de interés práctico (en la medida en que Incluso se llama 'patológicos'). Sin embargo, a mediados del decenio de 1970, el matemático Benoit Mandelbrot les dio nuevos mediante la definición de la dignidad como "objetos fractales", y con ellos la introducción de un nuevo lenguaje llamado "geometría fractal".

Geometría fractal se mueve en una dirección diferente de desarrollo de la geometría no euclidiana. Mientras que las segundas se basan en la colocación de objetos familiares en espacios que no sean espacio de Euclides, la geometría fractal destaca la naturaleza de los objetos geométricos, independientemente del ambiente espacial. La novedad de los objetos fractales reside en su infinita complejidad morfológica, que contrasta con la simplicidad y la armonía de las formas de Euclides, pero coincide con el de la variedad y riqueza natural de formas complejas.

En conclusión, podemos destacar que los siguientes puntos:

A) La complejidad es tan omnipresente en el mundo anatómico que ha llegado a ser considerada como una característica básica de los sistemas anatómicos.

B) entidades de Anatomía, vistos a nivel macroscópico y microscópico de observación, muestran diferentes grados de complejidad.

C) La complejidad puede residir en la estructura del sistema (que tiene muchas partes con diversas variables o interacciones una intrincada arquitectura) o en su comportamiento. A menudo, la complejidad en la estructura y el comportamiento van de la mano.

D) Un complejo sistema admite muchas descripciones (maneras de ver el sistema), cada una de las cuales es sólo parcialmente cierto. Cada forma de ver un sistema complejo requiere su propia descripción, su propio modo de análisis, y su propia descomposición del sistema en diferentes partes;

E) Casi todas las entidades de visualización anatómica jerárquicas formas: su componente de las estructuras a diferentes escalas espaciales, o de su proceso en diferentes escalas de tiempo, están relacionados unos con otros.

La aplicación de estos conceptos que promete ser de utilidad para el análisis y la modelización de la real importancia de la forma, dimensión y tamaño de un sistema anatómico observó a una escala dada de observación. Además, los cambios del sistema puede ser mejor definido en relación con las variaciones en su estado: de la normalidad (es decir, natural) a un estado patológico o alterada.