连续化学反应网络中的可组合速率无关计算

生物调控网络依赖化学相互作用来处理信息。构建此类分子计算系统是合成生物学及相关领域的重大挑战。化学反应网络（CRN）模型理想化了化学相互作用，允许对化学动力学的计算能力进行严格推理。此处我们关注基于 CRN 的函数计算，将某些物种的初始浓度视为输入，另一物种的平衡浓度视为输出。具体而言，我们关注速率无关（计算必须独立于反应速率定律而正确）且可组合（$f\circ g$ 可通过拼接计算 $f$ 与 $g$ 的 CRN 来计算）的 CRN。速率无关与可组合是重要的工程诉求，允许违背质量作用动力学甚至“充分混合”的实现，并支持通过模块化设计系统构建复杂计算。我们表明，构建可组合速率无关 CRN 的必要且充分条件是确保模块的输出物种不在该模块内任何反应中作为反应物。我们随后将此类 CRN 可计算的函数精确刻画为超可加、正连续且分段有理线性的。因此，除非使用更复杂的输入/输出编码，可组合性严重限制了速率无关计算。