Un conjunto autocatalítico es una colección de entidades, cada una de las cuales puede ser creada catalíticamente por otras entidades dentro del conjunto, de modo que, en su conjunto, el conjunto puede catalizar su propia producción. De esta forma, se dice que el conjunto en su conjunto es autocatalítico . Los conjuntos autocatalíticos se definieron original y más concretamente en términos de entidades moleculares , pero más recientemente se han extendido metafóricamente al estudio de sistemas en sociología y economía .
Los conjuntos autocatalíticos también tienen la capacidad de replicarse a sí mismos si se dividen en dos espacios separados físicamente. Los modelos informáticos ilustran que los conjuntos autocatalíticos divididos reproducirán todas las reacciones del conjunto original en cada mitad, al igual que la mitosis celular . En efecto, utilizando los principios de la autocatálisis, un pequeño metabolismo puede replicarse con muy poca organización de alto nivel. Esta propiedad es la razón por la que la autocatálisis es un contendiente como el mecanismo fundamental para la evolución compleja.
Antes de Watson y Crick , los biólogos consideraban que el sistema autocatalítico establece la forma en que funciona el metabolismo en principio, es decir, una proteína ayuda a sintetizar otra proteína y así sucesivamente. Después del descubrimiento de la doble hélice , se formuló el dogma central de la biología molecular , que es que el ADN se transcribe en ARN que se traduce en proteína. Se cree que la estructura molecular del ADN y el ARN, así como el metabolismo que mantiene su reproducción, son demasiado complejos para haber surgido espontáneamente en un solo paso de una sopa de química.
Varios modelos del origen de la vida se basan en la noción de que la vida puede haber surgido a través del desarrollo de un conjunto autocatalítico molecular inicial que evolucionó con el tiempo. La mayoría de estos modelos que han surgido de los estudios de sistemas complejos predicen que la vida no surgió de una molécula con un rasgo particular (como el ARN autorreplicante ) sino de un conjunto autocatalítico. El primer apoyo empírico provino de Lincoln y Joyce, quienes obtuvieron conjuntos autocatalíticos en los que "dos enzimas [ARN] catalizan la síntesis de la otra a partir de un total de sustratos de cuatro componentes". [1] Además, un proceso evolutivo que comenzó con una población de estos autorreplicadores produjo una población dominada por replicadores recombinantes .
La vida moderna tiene los rasgos de un conjunto autocatalítico, ya que ninguna molécula en particular, ni ninguna clase de moléculas, es capaz de replicarse a sí misma. Existen varios modelos basados en conjuntos autocatalíticos, incluidos los de Stuart Kauffman [2] y otros.
Definicion formal
Definición
Dado un conjunto M de moléculas , las reacciones químicas se pueden definir aproximadamente como pares r = (A, B) de subconjuntos de M: [3]
a 1 + a 2 + ... + a k → b 1 + b 2 + ... + b k
Sea R el conjunto de reacciones admisibles. Un par (M, R) es un sistema de reacción (RS).
Sea C el conjunto de pares molécula-reacción que especifican qué moléculas pueden catalizar qué reacciones:
C = {(m, r) | m ∈ M, r ∈ R}
Sea F ⊆ M un conjunto de alimentos (pequeñas cantidades de moléculas disponibles libremente en el medio ambiente) y R '⊆ R un subconjunto de reacciones. Definimos un cierre del conjunto de alimentos en relación con este subconjunto de reacciones Cl R ' (F) como el conjunto de moléculas que contiene el conjunto de alimentos más todas las moléculas que se pueden producir a partir del conjunto de alimentos y utilizando solo reacciones de este subconjunto de reacciones. Formalmente Cl R ' (F) es un subconjunto mínimo de M tal que F ⊆ Cl R' (F) y para cada reacción r '(A, B) ⊆ R':
A ⊆ Cl R ' (F) ⇒ B ⊆ Cl R' (F)
Un sistema de reacción (Cl R ' (F), R') es autocatalítico , si y solo si para cada reacción r '(A, B) ⊆ R':
- existe una molécula c ⊆ Cl R ' (F) tal que (c, r') ⊆ C,
- A ⊆ Cl R ' (F).
Ejemplo
Sea M = {a, b, c, d, f, g} y F = {a, b}. Deje que el conjunto R contiene las siguientes reacciones:
a + b → c + d, catalizado por g a + f → c + b, catalizada por d c + b → g + a, catalizado por d o f
De F = {a, b} podemos producir {c, d} y luego de {c, b} podemos producir {g, a} por lo que el cierre es igual a:
Cl R ' (F) = {a, b, c, d, g}
Según la definición, el subconjunto autocatalítico máximo R 'constará de dos reacciones:
a + b → c + d, catalizado por g c + b → g + a, catalizada por d
La reacción para (a + f) no pertenece a R 'porque f no pertenece al cierre. De manera similar, la reacción para (c + b) en el conjunto autocatalítico solo puede ser catalizada por d y no por f.
Probabilidad de que un conjunto aleatorio sea autocatalítico
Los estudios del modelo anterior muestran que la RS aleatoria puede ser autocatalítica con alta probabilidad bajo algunos supuestos. Esto se debe al hecho de que con un número creciente de moléculas, el número de reacciones y catalizaciones posibles aumenta aún más si las moléculas aumentan en complejidad, produciendo reacciones y catalizaciones lo suficientemente estocásticas como para hacer que una parte de la RS sea autosuficiente. [4] Un conjunto autocatalítico se extiende muy rápidamente con un número creciente de moléculas por la misma razón. Estos resultados teóricos hacen que los conjuntos autocatalíticos sean atractivos para la explicación científica del origen muy temprano de la vida.
Limitaciones formales
Formalmente, es difícil tratar a las moléculas como algo que no sean entidades no estructuradas, ya que el conjunto de posibles reacciones (y moléculas) se volvería infinito. Por lo tanto , todavía no es posible una derivación de polímeros arbitrariamente largos según sea necesario para modelar ADN, ARN o proteínas. Los estudios del mundo del ARN padecen el mismo problema.
Aspectos lingüísticos
Contrariamente a la definición anterior, que se aplica al campo de la química artificial , en la actualidad no existe una noción acordada de conjuntos autocatalíticos.
Mientras que anteriormente, la noción de catalizador es secundaria en la medida en que solo el conjunto en su conjunto tiene que catalizar su propia producción, es primaria en otras definiciones, lo que le da al término "Conjunto autocatalítico" un énfasis diferente. Allí, cada reacción (o función, transformación) tiene que estar mediada por un catalizador. Como consecuencia, al mediar en su reacción respectiva, cada catalizador también denota su reacción, lo que da como resultado un sistema que se auto denota, lo cual es interesante por dos razones. Primero, el metabolismo real está estructurado de esta manera. En segundo lugar, los sistemas de autodenotificación se pueden considerar como un paso intermedio hacia los sistemas de autodescripción.
Desde un punto de vista histórico tanto estructural como natural, se puede identificar a la AEC como captada en la definición formal el concepto más original, mientras que en el segundo, el reflejo del sistema en sí mismo ya es llevado a una presentación explícita, ya que los catalizadores representan la reacción inducida por ellos. En la literatura ACS, ambos conceptos están presentes, pero enfatizados de manera diferente.
Para completar la clasificación desde el otro lado, los sistemas de autorreproducción generalizados van más allá de la autodenotación. Allí, las entidades no estructuradas ya no llevan las transformaciones, sino las estructuradas y descritas. Formalmente, un sistema de autorreproducción generalizado consta de dos funciones, u y c, junto con sus descripciones Desc (u) y Desc (c) junto con la siguiente definición:
u: Desc (X) -> X c: Desc (X) -> Desc (X)
donde la función 'u' es el constructor "universal" , que construye todo en su dominio a partir de descripciones apropiadas, mientras que 'c' es una función de copia para cualquier descripción. Prácticamente, 'u' y 'c' pueden dividirse en muchas subfunciones o catalizadores.
Tenga en cuenta que la función de copia (trivial) 'c' es necesaria porque, aunque el constructor universal 'u' también podría construir cualquier descripción, la descripción en la que se basaría sería, en general, más larga que el resultado, lo que se traduce en un self completo. replicación imposible.
Este último concepto se puede atribuir al trabajo de von Neumann sobre los autómatas que se reproducen a sí mismos , donde sostiene una autodescripción necesaria para que cualquier sistema de autorreproducción no trivial (generalizado) evite interferencias. Von Neumann también planeó diseñar un sistema de este tipo para un modelo de química.
Conjuntos autocatalíticos no autónomos
Prácticamente todos los artículos sobre conjuntos autocatalíticos dejan abierto si los conjuntos deben considerarse autónomos o no. A menudo, la autonomía de los conjuntos se asume silenciosamente.
Probablemente, el contexto anterior tiene un fuerte énfasis en la autorreplicación autónoma y el origen temprano de la vida. Pero el concepto de conjuntos autocatalíticos es realmente más general y de uso práctico en varias áreas técnicas, por ejemplo, donde se manejan cadenas de herramientas autosostenibles. Claramente, tales conjuntos no son autónomos y son objetos de la agencia humana.
Se pueden encontrar ejemplos de la importancia práctica de los conjuntos autocatalíticos no autónomos, por ejemplo, en el campo de la construcción de compiladores y en sistemas operativos , donde la naturaleza autorreferencial de las respectivas construcciones se discute explícitamente, muy a menudo como bootstrapping .
Ver también
Referencias
- ^ Lincoln TA, Joyce GF (febrero de 2009). "Replicación autosostenida de una enzima de ARN" . Ciencia . 323 (5918): 1229–32. Código Bibliográfico : 2009Sci ... 323.1229L . doi : 10.1126 / science.1167856 . PMC 2652413 . PMID 19131595 .
- ^ Kauffman, Stuart A. (2008) Reinventar lo sagrado: una nueva visión de la ciencia, la razón y la religión . [Libros básicos], ISBN 0-465-00300-1 , capítulo 5, especialmente págs. 59–71
- ^ Hordijk W (2013). "Conjuntos autocatalíticos: del origen de la vida a la economía" . BioScience . 63 (11): 877–881. doi : 10.1525 / bio.2013.63.11.6 .
- ^ Mossel E, Steel M. (2005). "Redes bioquímicas aleatorias y probabilidad de autocatálisis autosostenible". Revista de Biología Teórica . 233 (3): 327–336. CiteSeerX 10.1.1.133.9352 . doi : 10.1016 / j.jtbi.2004.10.011 . PMID 15652142 .