Автокаталитический комплект

Автокаталитический набор — это совокупность объектов, каждая из которых может быть создана каталитически другими объектами внутри набора, так что в целом набор способен катализировать собственное производство. Таким образом, совокупность в целом называется автокаталитической . Автокаталитические множества первоначально и наиболее конкретно определялись в терминах молекулярных объектов , но в последнее время были метафорически распространены на изучение систем в социологии , экологии и экономике .

Автокаталитические наборы также обладают способностью воспроизводить себя, если они разделены на два физически разделенных пространства. Компьютерные модели показывают, что разделенные автокаталитические наборы будут воспроизводить все реакции исходного набора в каждой половине, во многом подобно клеточному митозу . Фактически, используя принципы автокатализа, небольшой метаболизм может воспроизводить себя с очень небольшой организацией высокого уровня. Именно это свойство объясняет, почему автокатализ является основополагающим механизмом сложной эволюции.

До Уотсона и Крика биологи считали автокаталитический механизм функционирования метаболизма в принципе, т.е. один белок помогает синтезировать другой белок и так далее. После открытия двойной спирали была сформулирована центральная догма молекулярной биологии , заключающаяся в том, что ДНК транскрибируется в РНК , которая транслируется в белок. Молекулярная структура ДНК и РНК, а также метаболизм, поддерживающий их размножение, считаются слишком сложными, чтобы возникнуть спонтанно и за один шаг из химического супа.

Некоторые модели происхождения жизни основаны на представлении о том, что жизнь могла возникнуть в результате развития первоначального молекулярного автокаталитического набора, который развивался с течением времени. Большинство этих моделей, возникших в результате изучения сложных систем, предсказывают, что жизнь возникла не из молекулы с каким-либо конкретным свойством (например, самовоспроизводящейся РНК ), а из автокаталитического набора. Первое эмпирическое подтверждение пришло от Линкольна и Джойса, которые получили автокаталитические наборы, в которых «два фермента [РНК] катализируют синтез друг друга из четырех компонентных субстратов». Более того, эволюционный процесс, начавшийся с популяции этих саморепликаторов, привел к появлению популяции, в которой доминируют рекомбинантные репликаторы.

Современная жизнь имеет черты автокаталитического набора, поскольку ни одна конкретная молекула или какой-либо класс молекул не способны воспроизводить себя. Существует несколько моделей, основанных на автокаталитических наборах, в том числе модели Стюарта Кауфмана. и другие.

Формальное определение

Определение

Учитывая набор M молекул , химические реакции можно грубо определить как пары r = (A, B) подмножеств из M:

 a1 + a2 + ... + ak → b1 + b2 + ... + bk

Пусть R — множество допустимых реакций. Пара (М, R) представляет собой реакционную систему (RS).

Пусть C — набор пар молекула-реакция, определяющий, какие молекулы могут катализировать какие реакции :

 C = {(m, r) | m ∈ M, r ∈ R}

Пусть F ⊆ M — набор продуктов питания (небольшое количество молекул, свободно доступных из окружающей среды), а R' ⊆ R — некоторое подмножество реакций. Мы определяем замыкание пищевого набора относительно этого подмножества реакций Cl _R' (F) как набор молекул, который содержит пищевой набор плюс все молекулы, которые могут быть произведены, начиная с пищевого набора и используя только реакции из этого подмножества реакций. реакции. Формально Cl _R' (F) — минимальное подмножество M такое, что F ⊆ Cl _R' (F) и для каждой реакции r'(A, B) ⊆ R':

 A ⊆ ClR'(F) ⇒ B ⊆ ClR'(F)

Реакционная система (Cl _R' (F), R') является автокаталитической тогда и только тогда, когда для каждой реакции r'(A, B) ⊆ R':

1. существует молекула c ⊆ Cl _R' (F) такая, что (c, r') ⊆ C,
2. А ⊆ Cl _R' (F).

Пример

Пусть M = {a, b, c, d, f, g} и F = {a, b}. Пусть множество R содержит следующие реакции:

 a + b  → c + d, catalyzed by g
 a + f  → c + b, catalyzed by d
 c + b  → g + a, catalyzed by d or f

Из F = {a, b} мы можем получить {c, d}, а затем из {c, b} мы можем создать {g, a}, поэтому замыкание равно:

 ClR'(F) = {a, b, c, d, g}

Согласно определению, максимальное автокаталитическое подмножество R' будет состоять из двух реакций:

 a + b  → c + d, catalyzed by g
 c + b  → g + a, catalyzed by d

Реакция (a + f) не принадлежит R', поскольку f не принадлежит замыканию. Точно так же реакция (c + b) в автокаталитическом наборе может катализироваться только d, а не f.

Вероятность того, что случайное множество является автокаталитическим

Исследования приведенной выше модели показывают, что при некоторых предположениях случайный RS с высокой вероятностью может быть автокаталитическим. Это происходит из-за того, что с ростом числа молекул количество возможных реакций и катализов становится еще больше, если молекулы усложняются, вызывая достаточно стохастически реакции и катализы, чтобы часть RS стала самоподдерживающейся. Затем автокаталитический набор очень быстро расширяется с ростом числа молекул. по той же причине. Эти теоретические результаты делают автокаталитические наборы привлекательными для научного объяснения очень раннего происхождения жизни.

Формальные ограничения

Формально молекулы трудно рассматривать как нечто иное, кроме как неструктурированные сущности, поскольку множество возможных реакций (и молекул) стало бы бесконечным. Поэтому получение полимеров произвольной длины , необходимых для моделирования ДНК, РНК или белков, пока невозможно. Исследования мира РНК страдают от той же проблемы.

Лингвистические аспекты

Вопреки приведенному выше определению, которое применяется к области искусственной химии , Сегодня не существует общепринятого понятия автокаталитических наборов.

Хотя выше, понятие катализатора является вторичным, поскольку только набор как целое должно катализировать собственное производство, оно первично в других определениях, придавая термину «Автокаталитический набор» другой акцент. Там каждая реакция (или функция, трансформация) должна осуществляться через катализатор. Как следствие, опосредуя соответствующую реакцию, каждый катализатор обозначает его реакция тоже приводит к образованию самообозначающей системы, что интересно. по двум причинам. Во-первых, реальный метаболизм устроен таким образом. Во-вторых, самообозначающие системы можно рассматривать как промежуточный шаг. к самоописывающим системам.

Как со структурной, так и с естественно-исторической точки зрения, можно идентифицировать САУ, как указано в формальном определении, тем оригинальнее концепции, а во втором – отражение системы в себе. уже доведено до явного изложения, поскольку катализаторы представляют собой реакция, вызванная ими. В литературе по САУ присутствуют обе концепции: но акцентировано по-другому.

Для завершения классификации с другой стороны, обобщенное Я. воспроизводящие системы выходят за рамки самообозначения. Нет, нет неструктурированные сущности больше несут трансформации, но структурированные, описанные. Формально обобщенная самовоспроизводящаяся система состоит двух функций u и c вместе с их описаниями Desc(u) и Desc(c) согласно следующему определению:

    u : Desc(X) -> X
    c : Desc(X) -> Desc(X)

где функция 'u' является «универсальным» конструктором , который создает все в своей области из соответствующих описаний, а 'c' - это копия функция для любого описания. На практике «u» и «c» могут распадаться на множество подфункций или катализаторов.

Обратите внимание, что (тривиальная) функция копирования «c» необходима, поскольку, хотя универсальный конструктор «u» сможет построить любое описание, описание, на котором оно будет основано, в обычно длиннее результата, что делает невозможным полное самовоспроизведение.

Эту последнюю концепцию можно отнести к концепции фон Неймана . работает над самовоспроизводящимися автоматами, где он имеет самоописание, необходимое для любого нетривиальная (обобщенная) самовоспроизводящаяся система, позволяющая избежать помех. Фон Нейман планировал спроектировать такая же система и для модельной химии.

Неавтономные автокаталитические установки

Практически все статьи об автокаталитических наборах оставляют открытым вопрос, являются ли эти наборы считаться автономным или нет. Зачастую автономность комплектов молчаливо предполагалось.

Вероятно, в приведенном выше контексте сильный акцент делается на автономном самовоспроизведении. и раннее зарождение жизни. Но концепция автокаталитических наборов на самом деле более общая и практическое использование в различных технических областях, например, там, где используются самоподдерживающиеся инструментальные цепи. обработано. Очевидно, что такие множества не автономны и являются объектами человеческой деятельности.

Примеры практической важности неавтономных автокаталитических наборов можно найти, например, в области построения компиляторов и в операционных системах , где явно обсуждается самореферентная природа соответствующих конструкций, очень часто в виде начальной загрузки .

Сравнение с другими теориями жизни

Автокаталитические системы представляют собой лишь одну из нескольких современных теорий жизни, включая хемотонную. Тибора Ганти , гиперцикл Манфреда Эйгена и Петера Шустера , системы ( M,R ) Роберта Розена и аутопоэзис (или самопостроение ) Умберто Матурана и Франсиско Варела . Все они (включая автокаталитические наборы) нашли свое первоначальное вдохновение в книге Эрвина Шредингера « Что такое жизнь?» но на первый взгляд кажется, что они имеют мало общего друг с другом, главным образом потому, что авторы не общались друг с другом, и никто из них не делал в своих основных публикациях никаких ссылок на какие-либо другие теории. Тем не менее, сходства больше, чем может показаться на первый взгляд, например, между Ганти и Розеном. До недавнего времени почти не было попыток сравнить различные теории и обсудить их вместе.

Последний универсальный общий предок (LUCA)

авторы приравнивают модели происхождения жизни к LUCA, универсальному общему предку последнему всей . Некоторые жизни существующей Это серьезная ошибка, возникающая из-за неспособности признать, что L относится к последнему общему предку, а не к первому предку, который намного старше: до появления LUCA произошла большая эволюция.

Гилл и Фортер выразили суть следующим образом:

LUCA не следует путать с первой клеткой, она была продуктом длительного периода эволюции. Быть «последним» означает, что LUCA предшествовала длинная череда более старых «предков».