合成原细胞系统中复制阈值的热力学

理解复制过程的热力学是建立生物系统综合物理理论的基本步骤。然而，真实细胞极大的复杂性掩盖了能量梯度与熵贡献之间的根本张力，而后者正是复制的基础。研究能够重现生命实体部分关键要素、同时又克服生物复杂性的主要来源的、可行的合成系统，对于深化对生命及其普遍性背后的基本热力学过程的理解具有重大意义。本文详细研究了一个由小型合成原细胞聚集体构成的抽象——但现实的——合成系统。针对一般非平衡情形，推导了自由能与熵梯度之间的基本关系，确立了复制现象发生与普遍存在的热力学条件。该关系明确指出了，投入于创建和维持系统结构——以及最终功能——要素的能量梯度必须始终补偿熵梯度，其后者的贡献来自平动、构型与宏观态熵的变化，以及不可逆跃迁引起的耗散。还推导了功/能关系，定义了复制事件发生所需能量的下界。为把握问题中涉及的量级，给出了一个包含真实三元乳液的特定示例。研究发现，触发一次复制事件施加于系统的最小功约为 $\sim 10^{-13}{\rm J}$。本文无意描述真正的生物学复制过程，这一理论贡献旨在明确界定并识别参与其中的关键要素。