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==11. Compound biosystems==
==11.Zusammengesetzte Biosysteme==


===11.1. Entanglement of information states of biosystems===
===11.1. Verschränkung von Informationszuständen von Biosystemen===
The state space <math>{\mathcal{H}}</math> of the biosystem <math>S</math> consisting of the subsystems <math>S_j,j=1,2,....n</math>, is the tensor product of subsystems’ state spaces<math>{\mathcal{H}}_j</math> , so
Der Zustandsraum <math>{\mathcal{H}}</math> des Biosystems <math>S</math> bestehend aus den Subsystemen <math>S_j,j=1,2,....n</math>, ist das Tensorprodukt der Zustandsräume von Subsystemen <math>{\mathcal{H}}_j</math> ,So


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The easiest way to imagine this state space is to consider its coordinate representation with respect to some basis constructed with bases in <math>{\mathcal{H}}_j</math>. For simplicity, consider the case of qubit state spaces <math>{\mathcal{H}}_j</math> let <math>|\alpha\rangle</math>, <math>|\alpha\rangle=0,1</math>, be some orthonormal basis in <math>{\mathcal{H}}_j</math>, i.e., elements of this space are linear combinations of the form <math>|\psi_{j}\rangle=c_0|0\rangle+c_1|1\rangle</math>. (To be completely formal, we have to label basis vectors with the index <math>j</math>, i.e.,<math>|\alpha\rangle\equiv |\alpha\rangle_j</math>. But we shall omit this it.) Then vectors  <math>|\alpha_1.....\alpha_n\rangle \equiv |\alpha_1\rangle\otimes....\otimes|\alpha_n\rangle</math> form the orthonormal basis in <math>{\mathcal{H}}</math>, i.e., any state  <math>|{\mathcal{\Psi}}\in {\mathcal{H}} </math> can be represented in the form
Der einfachste Weg, sich diesen Zustandsraum vorzustellen, besteht darin, seine Koordinatendarstellung in Bezug auf eine Basis zu betrachten, die mit Basen konstruiert wurde <math>{\mathcal{H}}_j</math>.Betrachten Sie der Einfachheit halber den Fall von Qubit-Zustandsräumen<math>{\mathcal{H}}_j</math> lassen <math>|\alpha\rangle</math>, <math>|\alpha\rangle=0,1</math>, sei eine orthonormale Basis in <math>{\mathcal{H}}_j</math>,d.h. Elemente dieses Raumes sind Linearkombinationen der Form <math>|\psi_{j}\rangle=c_0|0\rangle+c_1|1\rangle</math>. (Um ganz formal zu sein, müssen wir Basisvektoren mit dem Index kennzeichnen <math>j</math>, d.h.,<math>|\alpha\rangle\equiv |\alpha\rangle_j</math>. Aber wir werden das weglassen.) Dann Vektoren <math>|\alpha_1.....\alpha_n\rangle \equiv |\alpha_1\rangle\otimes....\otimes|\alpha_n\rangle</math>bilden die orthonormale Basis in <math>{\mathcal{H}}</math>,d.h. irgendein Zustand  <math>|{\mathcal{\Psi}}\in {\mathcal{H}} </math> können im Formular dargestellt werden


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and the complex coordinates  <math> C_{\alpha_1.....\alpha_n}</math> are normalized: <math> \sum |C_{\alpha_1.....\alpha_n}|^2=1</math>. For example, if <math> n=2</math>, we can consider the state
und die komplexen Koordinaten <math> C_{\alpha_1.....\alpha_n}</math> sind normalisiert: <math> \sum |C_{\alpha_1.....\alpha_n}|^2=1</math>. Zum Beispiel, wenn <math> n=2</math>, wir können den Staat betrachten


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This is an example of an ''entangled state'', i.e., a state that cannot be factorized in the tensor product of the states of the subsystems. An example of a non-entangled state (up to normalization) is given by
Dies ist ein Beispiel für einen verschränkten Zustand, d. h. einen Zustand, der nicht in das Tensorprodukt der Zustände der Subsysteme zerlegt werden kann. Ein Beispiel für einen unverschränkten Zustand (bis zur Normalisierung) ist gegeben durch


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Entangled states are basic states for quantum computing that explores state’s inseparability. Acting to one concrete qubit modifies the whole state. For a separable state, by transforming say the first qubit, we change only the state of system <math> S_1</math> . This possibility to change the very complex state of a compound system via change of the local state of a subsystem is considered as the root of superiority of quantum computation over classical one. We remark that the dimension of the tensor product state space is very big, it equals <math> 2^n</math> for <math> n</math> qubit subsystems. In quantum physics, this possibility to manipulate with the compound state (that can have the big dimension) is typically associated with “quantum nonlocality” and ''spooky action at a distance.''But, even in quantum physics this nonlocal interpretation is the source for permanent debates []. In particular, in the recent series of papers [] it was shown that it is possible to proceed without referring to quantum nonlocality and that quantum mechanics can be interpreted as the local physical theory. ''The local viewpoint on the quantum theory is more natural for biological application.''13 For biosystems, spooky action at a distance is really mysterious; for humans, it corresponds to acceptance of parapsychological phenomena.
Verschränkte Zustände sind grundlegende Zustände für Quantencomputer, die die Untrennbarkeit von Zuständen untersuchen. Das Einwirken auf ein konkretes Qubit ändert den gesamten Zustand. Bei einem trennbaren Zustand ändern wir beispielsweise durch Transformieren des ersten Qubits nur den Zustand des Systems <math> S_1</math> .Diese Möglichkeit, den sehr komplexen Zustand eines zusammengesetzten Systems durch Änderung des lokalen Zustands eines Teilsystems zu ändern, wird als Wurzel der Überlegenheit der Quantencomputer gegenüber der klassischen angesehen. Wir bemerken, dass die Dimension des Tensorprodukt-Zustandsraums sehr groß ist, sie ist gleich <math> 2^n</math> für <math> n</math> Qubit-Subsysteme. In der Quantenphysik wird diese Möglichkeit, mit dem zusammengesetzten Zustand (der die große Dimension haben kann) zu manipulieren, typischerweise mit „Quanten-Nichtlokalität“ und gespenstischer Fernwirkung in Verbindung gebracht. Aber auch in der Quantenphysik ist diese nichtlokale Interpretation die Quelle ständiger Debatten []. Insbesondere in der jüngsten Schriftenreihe [] wurde gezeigt, dass es möglich ist, ohne Bezugnahme auf die Quanten-Nichtlokalität vorzugehen, und dass die Quantenmechanik als die lokale physikalische Theorie interpretiert werden kann. Die lokale Sichtweise auf die Quantentheorie ist für biologische Anwendungen natürlicher.13 Für Biosysteme ist spukhafte Fernwirkung wirklich mysteriös; für den Menschen entspricht es der Akzeptanz parapsychologischer Phänomene.


How can one explain generation of state-transformation of the compound system <math> S</math> by “local transformation” of say the state of its subsystem <math> S_1</math>? Here the key-role is played by ''correlations'' that are symbolically encoded in entangled states. For example, consider the compound system <math> S=(S_1,S_2)</math> in the state <math> |\Psi\rangle</math> given by (33). Consider the projection-type observables <math> A_j</math> on <math> A_j</math>represented by Hermitian operators <math>\widehat{A}_j</math> with eigen-vectors <math>|0\rangle</math>,<math>|1\rangle</math> (in qubit spaces <math>{\mathcal{H}}_j</math>). Measurement of say <math> A_1</math> with the output <math> A_1=\alpha</math> induces the state projection onto the vector <math>|\alpha\alpha\rangle</math>.   
Wie kann man die Erzeugung der Zustandstransformation des zusammengesetzten Systems erklären? <math> S</math> B. durch „lokale Transformation“ des Zustands seines Subsystems <math> S_1</math>? Die Schlüsselrolle spielen dabei Korrelationen, die in verschränkten Zuständen symbolisch kodiert sind. Betrachten Sie zum Beispiel das zusammengesetzte System <math> S=(S_1,S_2)</math> im Staat <math> |\Psi\rangle</math> gegeben durch (33). Betrachten Sie die Observablen vom Projektionstyp <math> A_j</math> An <math> A_j</math>dargestellt durch hermitesche Operatoren <math>\widehat{A}_j</math> mit Eigenvektoren <math>|0\rangle</math>,<math>|1\rangle</math>(in Qubit-Räumen <math>{\mathcal{H}}_j</math>). Messung von sagen <math> A_1</math> mit der Ausgabe <math> A_1=\alpha</math> induziert die Zustandsprojektion auf den Vektor <math>|\alpha\alpha\rangle</math>.   


Hence, measurement of  <math> A_2</math> will automatically produce the output <math> A_2=\alpha</math>. Thus, the state  <math> |\Psi\rangle</math> encodes the exact correlations for these two observables. In the same way, the state
Daher Messung von <math> A_2</math> erzeugt automatisch die Ausgabe <math> A_2=\alpha</math>. Also der Staat  <math> |\Psi\rangle</math> codiert die genauen Korrelationen für diese beiden Observablen. Ebenso der Staat


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encodes correlations <math> A_1=\alpha</math>, <math> A_2=\alpha</math> (mod 2).  
kodiert Zusammenhänge <math> A_1=\alpha</math>, <math> A_2=\alpha</math> (Mod 2).  


So, '<nowiki/>''an entangled state provides the symbolic representation of correlations between states of the subsystems of a compound biosystem'''
„Ein verschränkter Zustand liefert also die symbolische Darstellung von Korrelationen zwischen Zuständen der Subsysteme eines zusammengesetzten Biosystems“.


Theory of open quantum systems operates with mixed states described by density operators. And before to turn to modeling of biological functions for compound systems, we define entanglement for mixed states. Consider the case of tensor product of two Hilbert spaces, i.e., the system <math> S</math> is compound of two subsystems <math> S_1</math> and <math> S_2</math>. A mixed state of <math> S</math> given by <math>\widehat{\rho}</math> is called separable if it can be represented as a convex combination of product states <math>\widehat{\rho}=\sum_k p_k\widehat{\rho}_{1k}\otimes \widehat{\rho}_{2k}</math>, where <math>\widehat{\rho}ik</math>, <math>i=1,2</math>, are the density operator of the subsystem <math> S_i</math> of <math> S</math>. Non-separable states are called entangled. They symbolically represent correlations between subsystems.
Die Theorie offener Quantensysteme arbeitet mit gemischten Zuständen, die durch Dichteoperatoren beschrieben werden. Und bevor wir uns der Modellierung biologischer Funktionen für zusammengesetzte Systeme zuwenden, definieren wir Verschränkung für gemischte Zustände. Betrachten Sie den Fall des Tensorprodukts zweier Hilbert-Räume, dh des Systems <math> S</math> ist eine Verbindung aus zwei Teilsystemen <math> S_1</math> und <math> S_2</math>. Ein gemischter Zustand von <math> S</math> gegeben von <math>\widehat{\rho}</math>heißt separabel, wenn es sich als konvexe Kombination von Produktzuständen darstellen lässt <math>\widehat{\rho}=\sum_k p_k\widehat{\rho}_{1k}\otimes \widehat{\rho}_{2k}</math>, wo <math>\widehat{\rho}ik</math>, <math>i=1,2</math>,sind der Dichteoperator des Subsystems <math> S_i</math> of <math> S</math>.Nicht trennbare Zustände heißen verschränkt. Sie repräsentieren symbolisch Zusammenhänge zwischen Subsystemen.


Quantum dynamics describes the evolution of these correlations. In the framework of open system dynamics, a biological function approaches the steady state via the process of decoherence. As was discussed in Section 8.3, this dynamics resolves uncertainty that was initially present in the state of a biosystem; at the same time, it also washes out the correlations: the steady state which is diagonal in the basis <math> \{|\alpha_1....\alpha_2\rangle\}</math> is separable (disentagled). However, in the process of the state-evolution correlations between subsystems (entanglement) play the crucial role. Their presence leads to transformations of the state of the compound system  <math> S</math> via “local transformations” of the states of its subsystems. Such correlated dynamics of the global information state reflects ''consistency of the transformations of the states of subsystems.''
Die Quantendynamik beschreibt die Evolution dieser Korrelationen. Im Rahmen der Dynamik offener Systeme nähert sich eine biologische Funktion über den Prozess der Dekohärenz dem stationären Zustand. Wie in Abschnitt 8.3 diskutiert wurde, löst diese Dynamik Ungewissheiten auf, die ursprünglich im Zustand eines Biosystems vorhanden waren; Gleichzeitig wäscht es auch die Korrelationen aus: den stationären Zustand, der in der Basis diagonal ist <math> \{|\alpha_1....\alpha_2\rangle\}</math>ist trennbar (entwirrt). Im Prozess der Zustandsentwicklung spielen jedoch Korrelationen zwischen Subsystemen (Verschränkung) die entscheidende Rolle. Ihre Anwesenheit führt zu Zustandsänderungen des zusammengesetzten Systems  <math> S</math>über „lokale Transformationen“ der Zustände seiner Subsysteme. Eine solche korrelierte Dynamik des globalen Informationszustands spiegelt die Konsistenz der Transformationen der Zustände von Subsystemen wider.


Since the quantum-like approach is based on the quantum information representation of systems’ states, we can forget about the physical space location of biosystems and work in the information space given by complex Hilbert space <math>{\mathcal{H}}</math>. In this space, we can introduce the notion of locality based on the fixed tensor product decomposition (31). Operations in its components <math>{\mathcal{H}}_j</math> we can call local (in information space). But, they induce “informationally nonlocal” evolution of the state of the compound system.
Da der quantenähnliche Ansatz auf der Quanteninformationsdarstellung von Systemzuständen basiert, können wir die physische Raumposition von Biosystemen vergessen und im Informationsraum arbeiten, der durch den komplexen Hilbert-Raum gegeben ist <math>{\mathcal{H}}</math>. In diesem Raum können wir den Begriff der Lokalität basierend auf der Fixed-Tensor-Product-Zerlegung (31) einführen. Operationen in ihren Komponenten <math>{\mathcal{H}}_j</math>wir können lokal anrufen (im Informationsraum). Aber sie induzieren eine „informationell nicht-lokale“ Evolution des Zustands des zusammengesetzten Systems.


===11.2. Entanglement of genes’ epimutations===
===11.2. Verschränkung von Epimutationen von Genen===
Now, we come back to the model presented in Section 9 and consider the information state of cell’s epigenome expressing potential epimutations of the chromatin-marking type. Let cell’s genome consists of <math>m</math> genes <math>g_1,....,g_m</math>. For each gene <math>g</math>, consider all its possible epimutations and enumerate them: <math>j_g=1,......k_g</math>. The state of all potential epimutations in the gene <math>g</math> is represented as superposition
Nun kommen wir auf das in Abschnitt 9 vorgestellte Modell zurück und betrachten den Informationszustand des Epigenoms der Zelle, das potenzielle Epimutationen des Chromatin-Markierungstyps exprimiert. Lassen Sie das Genom der Zelle bestehen aus <math>m</math> Gene <math>g_1,....,g_m</math>. Für jedes Gen <math>g</math>, Betrachten Sie alle möglichen Epimutationen und zählen Sie sie auf: <math>j_g=1,......k_g</math>.Der Zustand aller potenziellen Epimutationen im Gen <math>g</math> wird als Überlagerung dargestellt


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In the ideal situation epimutations of the genes are independent the state of cell’s epigenome is mathematically described by the tensor product of the states <math>|\psi_g\rangle</math>:  
Im Idealfall Epimutationen der Gene sind unabhängig wird der Zustand des Epigenoms der Zelle mathematisch durch das Tensorprodukt der Zustände beschrieben <math>|\psi_g\rangle</math>:  


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However, in a living biosystem, the most of the genes and proteins are correlated forming a big network system. Therefore, one epimutation affects other genes. In the quantum information framework, this situation is described by entangled states:
In einem lebenden Biosystem sind jedoch die meisten Gene und Proteine korreliert und bilden ein großes Netzwerksystem. Daher wirkt sich eine Epimutation auf andere Gene aus. Im Rahmen der Quanteninformation wird diese Situation durch verschränkte Zustände beschrieben:


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This form of representation of potential epimutations in the genome of a cell implies that epimutation in one gene is consistent with epimutations in other genes. If the state is entangled (not factorized), then by acting, i.e., through change in the environment, to one gene, say <math>g_1</math>, and inducing some epimutation in it, the cell “can induce” consistent epimutations in other genes.
Diese Form der Darstellung potenzieller Epimutationen im Genom einer Zelle impliziert, dass Epimutationen in einem Gen mit Epimutationen in anderen Genen übereinstimmen. Wenn der Zustand verstrickt (nicht faktorisiert) ist, dann durch Einwirkung, d.h. durch Veränderung der Umwelt, sagen wir auf ein Gen <math>g_1</math>, und indem sie eine Epimutation darin induziert, kann die Zelle konsistente Epimutationen in anderen Genen „induzieren“.


Linearity of the quantum information representation of the biophysical processes in a cell induces the linear state dynamics. This makes the epigenetic evolution very rapid; the off-diagonal elements of the density matrix decrease exponentially quickly. Thus, our quantum-like model justifies the high speed of the epigenetic evolution. If it were based solely on the biophysical representation with nonlinear state dynamics, it would be essentially slower.
Die Linearität der Quanteninformationsdarstellung der biophysikalischen Prozesse in einer Zelle induziert die lineare Zustandsdynamik. Dies macht die epigenetische Evolution sehr schnell; die nicht-diagonalen Elemente der Dichtematrix nehmen exponentiell schnell ab. Somit rechtfertigt unser quantenähnliches Modell die hohe Geschwindigkeit der epigenetischen Evolution. Wenn es allein auf der biophysikalischen Darstellung mit nichtlinearer Zustandsdynamik basieren würde, wäre es wesentlich langsamer.


Modeling based on theory of open systems leads to reconsideration of interrelation between the Darwinian with Lamarckian viewpoint on evolution. Here we concentrated on epimutations, but in the same way we can model mutations (Asano et al., 2015b).
Die Modellierung auf der Grundlage der Theorie offener Systeme führt zu einer Neubetrachtung der Wechselbeziehung zwischen dem Darwinschen und dem Lamarckschen Standpunkt zur Evolution. Hier haben wir uns auf Epimutationen konzentriert, aber genauso können wir Mutationen modellieren (Asano et al., 2015b).
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