Автокаталитический набор - Autocatalytic set
Автокаталитическая набор представляет собой совокупность субъектов, каждый из которых может быть созданы каталитический другими лицами в наборе, так что в целом, набор способен катализировать свое собственное производство. Таким образом, совокупность в целом называется автокаталитической . Автокаталитические наборы были первоначально и наиболее конкретно определены в терминах молекулярных сущностей , но в последнее время были метафорически распространены на изучение систем в социологии и экономике .
Автокаталитические наборы также могут 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, подобно клеточному митозу . Фактически, используя принципы автокатализа, небольшой метаболизм может воспроизводиться с очень небольшой организацией высокого уровня. Это свойство является причиной того, что автокатализ претендует на роль основополагающего механизма сложной эволюции.
До Уотсона и Крика биологи считали, что автокаталитика определяет принцип функционирования метаболизма , то есть один белок помогает синтезировать другой белок и так далее. После открытия двойной спирали , то центральная догма молекулярной биологии была сформулирована, которая является то , что ДНК транскрибируется в РНК , которая транслируется в белка. Молекулярная структура ДНК и РНК, а также метаболизм, поддерживающий их воспроизводство, считаются слишком сложными, чтобы возникать спонтанно 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 эволюционировал с течением времени. Большинство этих моделей, возникших в результате исследований сложных систем, предсказывают, что жизнь возникла не из молекулы с какой-либо конкретной чертой (например, самореплицирующейся РНК ), а из автокаталитического набора. Первое эмпирическое подтверждение было получено от Линкольна и Джойса, которые получили автокаталитические наборы, в которых «два [РНК] фермента катализируют синтез друг друга из четырех компонентных субстратов». Более того, эволюционный процесс, начавшийся с популяции этих саморепликаторов, привел к образованию популяции, в которой преобладали рекомбинантные репликаторы.
Современная жизнь имеет черты автокаталитического набора, поскольку ни одна конкретная молекула или какой-либо класс молекул не может воспроизводить себя. Существует несколько моделей, основанных на автокаталитических наборах, в том числе модели Стюарта Кауфмана и других.
Формальное определение
Определение
Учитывая набор молекул M , 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 (M, R) - это реакционная система (RS).
Пусть C будет набором пар молекула-реакция, определяющим, какие молекулы могут катализировать какие реакции:
C = {(m, r) | m ∈ M, r ∈ R}
Пусть F ⊆ M - набор пищи (небольшое количество молекул, свободно доступных из окружающей среды), а R '⊆ R - некоторое подмножество реакций. Мы определяем закрытие 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 реакции. Формально Cl R ' (F) является минимальным подмножеством 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':
- существует молекула c ⊆ Cl R ' (F) такая, что (c, r') ⊆ C,
- A ⊆ 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 произвести {c, d}, а затем из {c, b} мы можем произвести {g, a}, так что замыкание будет 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 для (a + f) не принадлежит R ', потому что f не принадлежит замыканию. Точно так же реакция для (c + b) в автокаталитическом наборе может катализироваться только d, а не f.
Вероятность того, что случайный набор является автокаталитическим
Исследования вышеупомянутой модели показывают, что случайные RS могут быть автокаталитическими с высокой вероятностью при некоторых предположениях. Это происходит из-за того, что с ростом числа молекул количество возможных реакций и катализаций становится еще больше, если молекулы усложняются, производя стохастические реакции и катализаторы, достаточные для того, чтобы сделать часть RS 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 самого раннего происхождения жизни.
Формальные ограничения
Формально сложно рассматривать молекулы как что-либо, кроме неструктурированных сущностей, поскольку набор возможных реакций (и молекул) стал бы бесконечным. Следовательно, получение полимеров произвольной длины, необходимых для моделирования ДНК, РНК или белков, пока невозможно. Изучение мира РНК страдает той же проблемой.
Лингвистические аспекты
Вопреки приведенному выше определению, которое применяется к области искусственной химии , сегодня не существует согласованного понятия автокаталитических наборов.
Хотя выше понятие катализатора вторично, поскольку только набор в целом должен катализировать собственное производство, оно является первичным в других определениях, придавая термину «автокаталитический набор» другой акцент. Там каждая реакция (или функция, превращение) должна опосредоваться катализатором. Как следствие, опосредуя свою соответствующую реакцию, каждый катализатор также обозначает свою реакцию, что приводит к самоназывающей системе, что интересно по двум причинам. Во-первых, так устроен реальный метаболизм. Во-вторых, самоназначающиеся системы можно рассматривать как промежуточный шаг к самоописывающимся системам.
Как со структурной, так и с естественноисторической точки зрения, можно идентифицировать ACS как схваченную в формальном определении более оригинальную концепцию, в то время как во втором, отражение системы в самой себе уже доведено до явного представления, поскольку катализаторы представляют собой реакцию, вызванную ими. В литературе по ACS обе концепции присутствуют, но подчеркиваются по-разному.
Чтобы завершить классификацию с другой стороны, обобщенные самовоспроизводящиеся системы выходят за рамки самоназначения. Преобразования переносят уже не неструктурированные сущности, а структурированные, описанные. Формально обобщенная самовоспроизводящаяся система состоит из 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 - это «универсальный» конструктор , который строит все в своей области из соответствующих описаний, а c - функция копирования для любого описания. На практике «u» и «c» могут распадаться на множество подфункций или катализаторов.
Обратите внимание, что (тривиальная) функция копирования 'c' необходима, потому что, хотя универсальный конструктор 'u' также сможет построить любое описание, описание, на котором оно будет основано, в целом будет длиннее, чем результат, отображая полную самость. репликация невозможна.
Эту последнюю концепцию можно отнести к работе фон Неймана по самовоспроизводящимся автоматам, где он содержит самоописание, необходимое для любой нетривиальной (обобщенной) самовоспроизводящейся системы, чтобы избежать помех. Фон Нейман планировал разработать такую систему и для модельной химии.
Неавтономные автокаталитические комплексы
Практически во всех статьях об автокаталитических наборах остается открытым вопрос о том, следует ли считать наборы автономными или нет. Часто молчаливо предполагается автономность наборов.
Вероятно, вышеупомянутый контекст имеет сильный акцент на автономной саморепликации и раннем происхождении жизни. Но концепция автокаталитических наборов действительно более общая и используется на практике в различных технических областях, например, там, где используются самоподдерживающиеся инструментальные цепи. Ясно, что такие множества не автономны и являются объектами человеческой деятельности.
Примеры практического значения неавтономных автокаталитических наборов можно найти, например, в области построения компиляторов и в операционных системах , где самореферентный характер соответствующих конструкций подробно обсуждается, очень часто в качестве начальной загрузки .
Сравнение с другими теориями жизни
Автокаталитические наборы составляют лишь один из нескольких современных теорий жизни, в том числе chemoton из Тибор Ганти , в гиперцикла из Манфред Эйген и Питер Шустер , на ( M, R ) систем из Роберта Розена и автопоэзис (или само-здание ) в Умберто Матурана и Франсиско Варела . Все они (включая автокаталитические наборы) были вдохновлены книгой Эрвина Шредингера « Что такое жизнь?» но поначалу кажется, что у них мало общего друг с другом, в основном потому, что авторы не общались друг с другом, и ни один из них не ссылался в своих основных публикациях на какие-либо другие теории. Тем не менее, сходств больше, чем может показаться на первый взгляд, например, между Ганти и Розеном. До недавнего времени почти не было попыток сравнить разные теории и обсудить их вместе.
Последний всеобщий общий предок (LUCA)
Некоторые авторы приравнивают модель происхождения жизни с LUCA, то L асты U niversal C ommon ncestor всего сохранившиеся жизнями. Это серьезная ошибка, возникающая из-за того, что не удалось распознать, 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 существенный момент следующим образом:
LUCA не следует путать с первой клеткой, это продукт длительного периода эволюции. Быть «последним» означает, что LUCA предшествовала длинная череда более старых «предков».