反应扩散系统中失稳与自组织的化学原理

图案与结构如何从初始均匀状态在生物系统内发生对称破缺并自组织，是生物发育的关键问题。源自反应扩散（RD）模型的激活子-抑制子（AI）机制，被广泛认为是生物图案形成的基本机制。该机制通常要求激活子自我增强且扩散慢于抑制子。在此，我们通过对两种化学物质的广义 RD 模型求解特征值（色散关系）来识别生物系统的失稳源并推导自组织条件。我们表明，具有长程抑制与激活的单一 AI 机制足以自组织为完全表达的域，而无需涉及抑制子-抑制子（II）机制，途径为单独增强激活子与抑制子自我增殖速率的差异或削弱二者间的耦合程度。当交叉扩散介入时，自我增强与化学物质扩散系数差异均不再是自组织所必需的，且图案机制可扩展至半抑制子与 II 机制。然而，我们表明单一激活子-激活子（AA）机制通常无法自组织，即便额外引入生物域生长也是如此。此外，在 AI 系统之后添加 II 系统可产生离散且双稳态的图案。我们还观察到，更高维空间可单独改变由低维空间导出的图案原理，这可能源于更高空间自由度所驱动的失稳。这些结果为生物图案形成提供了新见解。