自催化网络的非平衡性质

自催化，即化学系统产生更多自身的能力，是代谢的一个关键特征，并被推测在生命起源中发挥了决定性作用。然而，自催化系统在远离平衡态时的行为仍未被探索。在本工作中，我们详细阐述了关于自催化网络化学计量学特征的最新进展，特别是其缺乏类质量守恒定律的特性，以研究这一拓扑特征如何影响其非平衡行为。基于自催化网络独特的拓扑结构，我们推导出了化学通量的分解，这凸显了其动力学中生产性模式的存在。这些模式产生净过剩的自催化剂，并需要外部燃料/废物物种的存在才能运作。仅依赖于拓扑结构，该通量分解在广泛条件下成立，且特别不需要稳态或基元反应。此外，我们表明，一旦受到外部控制，外部物种带来的非保守力就不会作用于这些生产性模式。在研究开放自催化网络的热力学时必须考虑到这一点。具体而言，我们表明必须在半巨自由能中添加一个附加项。最后，从热力学势出发，我们推导出了与自催化剂产生相关的热力学成本。