Các hướng liên ngành mới nổi

Hệ tự tổ chức, mạng phản ứng

Tìm hiểu cách các phản ứng ghép nối, phản hồi, xúc tác và dòng năng lượng tạo nên hành vi hoá học tập thể, cấu trúc bền và tổ chức tự xúc tác xa cân bằng.

1 THCS 2 THPT 3 Đại học 4 Nâng cao 5 Nghiên cứu

Trực giácKhi các phản ứng phối hợp

Mạng phản ứng không chỉ là danh sách phương trình: sản phẩm của phản ứng này có thể làm nguyên liệu cho phản ứng khác, chất xúc tác đổi tốc độ, còn phản hồi khuếch đại hoặc kìm hãm hoạt động. Hành vi của toàn mạng có thể khác từng phản ứng riêng lẻ.

Tự tổ chức không có nghĩa vật chất tự sắp xếp mà không có ràng buộc hay năng lượng. Thuật ngữ mô tả sự xuất hiện tự phát của trật tự tập thể qua tương tác cục bộ, thường khi năng lượng và vật chất đi qua hệ mở.

Thay đổi liên kết và phản hồi để quan sát hành vi cấp mạng; hình ảnh minh hoạ, không phải bằng chứng cho một con đường nguồn gốc sự sống cụ thể.

Phổ thôngBiểu diễn phản ứng và tốc độ

Định nghĩa: Mạng phản ứng

Tập hợp các chất hoá học liên kết qua phản ứng, mỗi phản ứng có chiều, định luật tốc độ và hệ số tỉ lượng. Cấu trúc mạng mô tả biến đổi nào có thể xảy ra; động học và điều kiện quyết định phản ứng nào diễn ra và nhanh đến đâu.

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

Ở đây $N_{ir}$ là biến thiên tỉ lượng của chất $i$ trong phản ứng $r$ , còn $v_r$ là tốc độ phản ứng đó. Các phương trình vi phân ghép nối theo dõi nồng độ; nghiệm phụ thuộc điều kiện đầu, hằng số tốc độ và việc cấp hay loại vật chất.

Ví dụ: Phản hồi dương đơn giản

Lời giải

Đó là phản hồi dương: P nhiều hơn cung cấp hoạt tính xúc tác lớn hơn, làm tăng tốc độ tạo P. Cơ chế có thể khuếch đại nhiễu ban đầu, nhưng cạn cơ chất, ức chế hoặc phân huỷ có thể giới hạn tăng trưởng.

Đại họcĐộng lực học, độ bền và xúc tác

Mạng có thể tiến tới trạng thái dừng ổn định, dao động, chuyển trạng thái hoặc tạo cấu trúc không gian. Kết quả phụ thuộc định luật tốc độ phi tuyến, phản hồi, vận chuyển và điều kiện biên; sơ đồ phản ứng đơn thuần không dự đoán được.

Định nghĩa: Tập hợp tự xúc tác

Trong một tập hợp tự xúc tác, mỗi phản ứng được xúc tác bởi ít nhất một phân tử do chính tập hợp tạo ra; các chất xúc tác và chất phản ứng cuối cùng có thể được tạo từ tập nguyên liệu xác định. Đây là tính chất hình thức của mạng, tự nó không phải bằng chứng về sự sống hay tiến hoá.

Nâng caoHệ mở và tổ chức hoá học

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

Với hệ mở, cần xét đồng thời entropy được tạo bên trong và dòng entropy qua biên. Tổ chức bền có thể được duy trì nhờ thông lượng và tiêu tán; điều này không vi phạm định luật hai và thường biến mất khi bỏ điều kiện cấp năng lượng.

Lý thuyết tổ chức hoá học hỏi tập con phản ứng và chất nào tạo thành tổ chức khép kín, tự duy trì với chất xúc tác và nguồn nguyên liệu cho trước. Lý thuyết cung cấp ngôn ngữ chặt chẽ để so sánh mạng, nhưng tính thực nghiệm vẫn cần động học đo được, khả thi nhiệt động và tương thích môi trường.

Nghiên cứuBiên giới nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

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