Conjunto autocatalítico

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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, como un todo, el conjunto es capaz de catalizar su propia producción. De esta forma se dice que el conjunto como un todo es autocatalítico. Los conjuntos autocatalíticos se definieron originalmente y de manera más concreta en términos de entidades moleculares, pero más recientemente se han extendido metafóricamente al estudio de sistemas en sociología, ecología y economía.

Los conjuntos autocatalíticos también tienen la capacidad de replicarse 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, de manera muy similar a la mitosis celular. En efecto, utilizando los principios de la autocatálisis, un pequeño metabolismo puede replicarse a sí mismo con muy poca organización de alto nivel. Esta propiedad es la razón por la que la autocatálisis es un candidato como mecanismo fundamental para la evolución compleja.

Antes de Watson y Crick, los biólogos consideraban que los conjuntos autocatalíticos marcaban la forma en que funciona el metabolismo en principio, es decir, una proteína ayuda a sintetizar otra proteína y así sucesivamente. Tras el 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 ningún 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 entre sí a partir de un total de cuatro sustratos componentes". Además, un proceso evolutivo que comenzó con una población de estos autorreplicadores produjo una población dominada por replicadores recombinantes.

La vida moderna tiene las características 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 y otros.

Definición formal

Definición

Dado un conjunto M de moléculas, las reacciones químicas se pueden definir aproximadamente como pares r = (A, B) de subconjuntos de M:

 a₁ + a₂ +... + a_k → b₁ + b₂ +... + b_k

Sea R el conjunto de reacciones permitidas. Un par (M, R) es un sistema de reacción (RS).

Sea C el conjunto de pares molécula-reacción que especifica qué moléculas pueden catalizar qué reacciones:

 C = {(m, r) TENIDO m ANTE M, r ANTE R}

Sea F ⊆ M un conjunto de alimentos (pequeños números de moléculas disponibles libremente en el medio ambiente) y R' ⊆ R sea algún subconjunto de reacciones. Definimos un cierre del conjunto de alimentos relativo a 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 alimento. conjunto y usando 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')
A ⊆ Cl_{R '}(F).

Ejemplo

Sean M = {a, b, c, d, f, g} y F = {a, b}. Deje que el conjunto R contenga las siguientes reacciones:

 a + b → c + d, catalizado por g
a + f → c + b, catalizado 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, catalizado por d

La reacción para (a + f) no pertenece a R' porque f no pertenece a la clausura. 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 algunas suposiciones. Esto se debe al hecho de que con un número creciente de moléculas, el número de posibles reacciones y catalizaciones crece aún más si las moléculas crecen en complejidad, produciendo reacciones y catalizaciones estocásticamente suficientes para hacer que una parte de la RS sea autosuficiente. Un conjunto autocatalítico luego 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 más que 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 sufren el mismo problema.

Aspectos lingüísticos

Contrariamente a la definición anterior, que se aplica al campo de la química artificial, hoy en día no existe una noción acordada de conjuntos autocatalíticos.

Mientras que arriba, la noción de catalizador es secundaria en la medida en que sólo el conjunto como un todo tiene que catalizar su propia producción, es primario en otras definiciones, dando el término "Conjunto Autocatalítico" un énfasis diferente. Allí, cada reacción (o función, transformación) tiene que ser mediada por un catalizador. Como consecuencia, mientras media su respectiva reacción, cada catalizador denota su reacción también, resultando en un sistema de autodenotación, lo cual es interesante por dos razones. Primero, el metabolismo real está estructurado de esta manera. En segundo lugar, los sistemas de autodenotación pueden considerarse como un paso intermedio hacia los sistemas autodescriptivos.

Desde un punto de vista tanto estructural como histórico natural, uno puede identificar la ACS como incautada en la definición formal cuanto más original concepto, mientras que en el segundo, el reflejo del sistema en sí mismo es ya llevado a una presentación explícita, ya que los catalizadores representan la reacción inducida por ellos. En la literatura de la ACS, ambos conceptos están presentes, pero enfatizado de manera diferente.

Para completar la clasificación desde el otro lado, auto generalizado los sistemas de reproducción van más allá de la autodenotación. Ahí no las entidades no estructuradas ya llevan las transformaciones, pero estructuradas, los descritos. Formalmente, un sistema generalizado de autorreproducción consiste de dos funciones, u y c, junto con sus descripciones Desc(u) y Desc(c) a lo largo de la siguiente definición:

 u: Desc(X) - título X
c: Desc(X) - título Desc(X)

donde la función 'u' es el "universal" constructor, que construye todo en su dominio de descripciones apropiadas, mientras que 'c' es una copia función para cualquier descripción. Prácticamente, 'u' y 'c' puede desmoronarse en muchas subfunciones o catalizadores.

Tenga en cuenta que la función de copia (trivial) 'c' es necesario porque aunque el constructor universal 'u' sería capaz de construir cualquier descripción, también, la descripción en la que se basaría, en general ser más largo que el resultado, lo que hace imposible la autorreplicación completa.

Este último concepto se puede atribuir a von Neumann's trabajar en autómatas que se reproducen a sí mismos, donde tiene una descripción de sí mismo necesaria para cualquier sistema de autorreproducción no trivial (generalizado) para evitar interferencias. Von Neumann planeó diseñar un sistema de este tipo también para una química modelo.

Conjuntos autocatalíticos no autónomos

Prácticamente todos los artículos sobre conjuntos autocatalíticos dejan abierto si los conjuntos son ser considerado autónomo o no. A menudo, la autonomía de los conjuntos es silenciosamente ficticio.

Probablemente, el contexto anterior tiene un fuerte énfasis en la autorreplicación autónoma y origen primitivo de la vida. Pero el concepto de conjuntos autocatalíticos es realmente más general y en uso práctico en diversas áreas técnicas, p. donde se encuentran las cadenas de herramientas autosuficientes manejado. Claramente, tales conjuntos no son autónomos y son objetos de la agencia humana.

Se pueden encontrar ejemplos de importancia práctica de conjuntos autocatalíticos no autónomos, p. en el campo de la construcción de compiladores y en los sistemas operativos, donde se discute explícitamente la naturaleza autorreferencial de las construcciones respectivas, muy a menudo como bootstrapping.

Comparación con otras teorías de la vida

Los conjuntos autocatalíticos constituyen solo una de varias teorías actuales de la vida, incluido el quimiotón de Tibor Gánti, el hiperciclo de Manfred Eigen y Peter Schuster, los sistemas (M,R) de Robert Rosen, y la autopoiesis (o autoconstrucción) de Humberto Maturana y Francisco Varela. Todos estos (incluidos los conjuntos autocatalíticos) encontraron su inspiración original en el libro ¿Qué es la vida? de Erwin Schrödinger, pero al principio parecen tener poco en común entre sí, en gran parte porque los autores no no se comunican entre sí, y ninguno de ellos hizo referencia alguna en sus principales publicaciones a ninguna de las otras teorías. Sin embargo, hay más similitudes de las que pueden parecer a primera vista, por ejemplo, entre Gánti y Rosen. Hasta hace poco casi no ha habido intentos de comparar las diferentes teorías y discutirlas juntas.

Último Ancestro Común Universal (LUCA)

Algunos autores equiparan los modelos del origen de la vida con LUCA, el Lúltimo Uuniversal Ccomún Aancestro de toda la vida existente. Este es un error grave que resulta de no reconocer que L se refiere al último ancestro común, no al primer ancestro, que es mucho más antiguo: se produjo una gran cantidad de evolución antes de la aparición de LUCA.

Gill y Forterre expresaron el punto esencial de la siguiente manera:

LUCA no debe confundirse con la primera célula, pero fue el producto de un largo período de evolución. Ser el "último" significa que LUCA fue precedido por una larga sucesión de viejos "agentes".