新興の学際分野

自己組織化系・反応ネットワーク

結合反応、フィードバック、触媒作用、エネルギー流が、非平衡下で集合的な化学挙動や持続的パターン、自触媒的組織を生み出す仕組みを学ぶ。

直観反応が連携するとき

反応ネットワークは方程式の羅列ではありません。一つの反応生成物が別の反応の原料となり、触媒が速度を変え、フィードバックが活性を増幅または抑制します。全体の挙動は個々の反応とは異なり得ます。

自己組織化とは、物質が制約もエネルギーもなしに秩序化するという意味ではありません。開放系を物質・エネルギーが流れる中、局所相互作用から集合的秩序が自発的に現れることを指します。

結合とフィードバックを変え、ネットワーク全体の挙動の創発を観察します。特定の生命起源経路の証拠ではなく概念図です。

定義: 反応ネットワーク

反応ごとに向き、速度式、化学量論を持つ反応で結ばれた化学種の集合です。ネットワーク構造は可能な変換を示し、速度論と条件が実際に進む反応と速度を決めます。

\frac{d[ X_i]}{dt}=\sum_r N_{ir}v_r([X],T)

ここで $N_{ir}$ は反応 $r$ における化学種 $i$ の化学量論変化、 $v_r$ は反応速度です。連立微分方程式で濃度を追跡し、その解は初期条件、速度定数、物質の供給・除去に依存します。

例: 単純な正のフィードバック

解答

正のフィードバックです。P が増えると触媒活性が高まり、P の生成速度が増します。初期の変動を増幅できますが、基質枯渇、阻害、分解が増殖を制限し得ます。

ネットワークは安定定常状態へ近づく、振動する、状態を切り替える、空間パターンを示すことがあります。結果は非線形速度式、フィードバック、輸送、境界条件に依存し、反応図だけでは予測できません。

定義: 自己触媒セット

自己触媒セットでは各反応がセット内で生成する分子により触媒され、触媒と反応物は最終的に指定された原料集合から構築できます。これは形式的なネットワーク特性であり、それだけで生命や進化の証拠にはなりません。

\frac{dS}{dt}=\Pi-\Phi,\qquad \Pi\ge 0

開放系では内部のエントロピー生成と境界を通るエントロピー流を合わせて考えます。持続的な組織は物質流と散逸で保たれ、熱力学第二法則に反しません。駆動条件を除くと通常は消失します。

化学組織論は、指定された触媒と原料のもとで、どの反応・化学種の部分集合が閉じた自己維持組織を形成するかを問います。ネットワーク比較の厳密な言語を与えますが、実験的妥当性には測定速度論、熱力学的実現可能性、環境との適合性が必要です。

Autocatalytic sets of proteins · S. A. Kauffman, J. D. Farmer, N. H. Packard, 1986
Autocatalytic Sets and the Origin of Life · W. Hordijk, M. Steel, 2010
Autocatalytic sets and chemical organizations: modeling self-sustaining reaction networks at the origin of life · W. Hordijk, M. Steel, P. Dittrich, 2018