用于分析前生物化学反应网络及其动力学行为的生态框架
种群与进化
2023-01-05 v2 分子网络
摘要
人们日益广泛地接受，在生命起源非常早期的阶段，甚至在遗传编码出现之前，多样化小分子的反应网络可能已展现出生命的关键属性，即自我繁殖与适应性演化。为探索这一可能性，我们在化学生态系统生态学框架内形式化了化学反应网络的动力学。为捕捉类生命化学系统由富能食物化学品的通量维持于非平衡态这一思想，我们将化学生态系统建模为受到具有固定食物化学品浓度的溶液持续稀释的均匀混合容器。将所有化学反应建模为完全可逆，我们表明以微量一种或多种成员化学品接种一个自催化循环（AC）会导致该循环中所有成员化学品的逻辑斯谛增长。该发现证明了将 AC 与生物物种种群进行有益类比的合理性。我们将该发现推广，表明 AC 对可像生物物种一样表现出竞争、捕食者–猎物或互利关联。此外，当环境存在随机性（尤其在 AC 接种方面）时，化学生态系统可展现类似于演化的复杂动力学。当网络结构导致生态优先性（先到者生存）时，演化特征尤为明显，这使得演替路径在历史上依赖于循环被接种的顺序。尽管简单，此处发展的框架有助于直观理解前生物化学反应网络中的自催化如何产生类生命属性。此外，化学生态系统生态学可为探索适应性动力学的涌现以及基于聚合物的遗传系统的起源提供有益基础。
引用
@article{arxiv.2001.02533,
title = {An ecological framework for the analysis of prebiotic chemical reaction networks and their dynamical behavior},
author = {Zhen Peng and Alex Plum and Praful Gagrani and David A. Baum},
journal= {arXiv preprint arXiv:2001.02533},
year = {2023}
}