原始自催化反应网络中大分子的起源

蛋白质和核酸等大分子对生命至关重要，但其原始起源仍是一个主要谜题。正如我们今天所知，大分子的生产需要良好的催化剂，而我们知道的唯一能完成此任务的优良催化剂本身就是大分子。因此，大分子的起源是化学中的“鸡生蛋、蛋生鸡”问题。在此，我们提出了一种基于自催化集（ACSs）的机制，作为解决该问题的可能方案。我们讨论了一个数学模型，描述了在简化但前生物 plausible 的化学环境中的分子种群动力学。大分子可以通过较小分子的聚结在此化学环境中产生，其中最小的分子（“食物集”）被缓冲。某些反应可由化学环境内的分子催化，具有不同的催化强度。通常，在此类场景中大分子的浓度非常小，并随其尺寸呈指数衰减。如果催化网络中存在自催化集，它们可以将系统资源集中于稀疏的分子集。自催化集可以在种群动力学中产生双稳态，特别是产生自催化集分子主导种群的稳态。然而，要从仅包含食物集的初始条件达到这些稳态，通常需要非常大的催化强度，且该强度随催化剂分子尺寸呈指数增长。我们通过研究“嵌套自催化集”（即一个小自催化集连接并强化一个大自催化集的结构）来解决这一问题。我们表明，当网络包含一系列嵌套自催化集，且分子的催化强度随其尺寸逐渐增加（例如呈幂律分布）时，包括一些非常大分子在内的稀疏分子子集可以主导整个系统。