能量梯度作为细胞前化学组织的潜在驱动力

生命的起源通常围绕有膜包被的区室和编码代谢来构建框架，这使得在稳定边界出现之前空间组织是如何产生的仍悬而未决。在此背景下，环境梯度通常被视为边界条件，而非构建化学动力学的变量。我们探讨在没有膜的情况下，空间定位和功能耦合是否能在现实的环境梯度下产生，并提出能量可用性的空间变化作为组织变量，会偏向于物质运输和反应。我们引入了一个反应扩散模型，其中相互作用的化学物质在由 pH、氧化还原电位和温度的耦合梯度定义的外部施加的活动景观中演化，整合了扩散、梯度驱动的漂移和位置依赖的反应动力学。我们在代表类似热液喷口条件的梯度强度范围内进行了模拟。我们的结果表明，足够强的梯度会诱导反应物的自发积累、反应极大值的空间对齐以及稳定、受限化学状态的出现。当梯度驱动的运输克服扩散和降解损失时，定位化便在阈值之上产生。我们得出结论，空间结构化的能量景观可以在没有预定义区室的情况下支持有组织的化学动力学，为连续介质中的耦合和持久性提供了一种机制。潜在的应用包括研究益生元化学的实验平台、具有可控梯度的微流控系统以及化学响应材料的设计。