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动力学,热力学和化学如何以及为什么会引发生物进化的逻辑

如第二定律所表示的热力学稳定性通常构成化学组装过程的驱动力。然而,不知何故,在生活世界中,大多数自组织过程似乎都在挑战这一基本规则。即使第二定律仍然是一个不可避免的约束,在能量驱动的,远离平衡的条件下,能够指数增长的化学系统的种群可以表现出另一种稳定性,即动态动力学稳定性(DKS)。正是这种稳定性基于时间/持久性而非自由能量,为理解进化过程提供了基础。此外,需要从平衡的阈值距离,导致再生周期的不可逆性,以将进化指令从热力学转换为DKS。本报告发展了这些思路,并反对热力学方法的有效性,其中能量耗散/熵产生率的最大化被认为是指导进化过程。更一般地说,我们的分析再次证实了动力学在生命自组织中的主导作用,反过来,它可以评估生命可以发展的系统和环境的半定量约束。

关键词: 动态动力学稳定性; 动力学控制; 生命的起源; 自组织


尽管从历史的角度来看大多数人都理解它,但生命的起源构成了化学科学研究领域[1],尽管确定早期地球上生命出现的实际途径可能永远无法实现。相应的历史事件没有留下任何记录,因为第一生物的化学成分不稳定,系统发育分析的工具也受到限制,因为所谓的知识视野,与理论概念有关。最后一个共同的祖先[2]地球上目前的生物有其巨大的多样性,无法提供有关超出该范围的进化的前期阶段的信息。由于最后一个共同的祖先对应于具有当前细胞中存在的大多数基本功能的生物体,因此在处理生命的早期阶段时,系统发育研究几乎没有帮助。唯一可能的替代方案是考虑益生元可用的化学途径,以及化学自组织的限制,并尝试回答两个问题:(1)是否存在对自组织的驱动力生活状态?(2)如果是这样的话,化学系统可以通过什么机械手段自我组织以产生生存状态,这符合第二定律的限制。这些考虑因素推断熵的总体自发减少在统计上是不太可能的,并且对于宏观系统而言,实际上是不可能的。因此,由于一个不太可能的事件导致的生命的出现是非常不可能的[3-5]因此,任何值得进行科学研究的替代方法都需要存在自组织的驱动力,这种驱动力必然与环境中熵的产生有关。即使没有关于其早期表达的历史信息可用,识别这样的驱动力也可以确定影响变化的参数。此外,识别这种驱动力可以作为一个逻辑桥梁,将控制宇宙变化的一般规则与达尔文的进化论联系起来。事实上,分析被认为是生命出现的过程的热力学可能有助于消除继续将物理和生命科学分开的概念差距[6,7]但这是否意味着生命早期进化的历史可以通过识别生命的驱动力来确定性地重建?答案肯定是否定的。可用化学自由度的数量使得可能已经遵循几乎无限数量的路径,因此必然的历史事件也必须在确定生命过程发生的特定途径中发挥重要作用。已经采取。该陈述并未排除可能发生的化学易感通路,这些通路可能诱导选择性形成可能有利于该转变的有限组构件[8,9]

以前许多工作都致力于生命的物理化学表征。这些尝试可分为两种主要方法。赞成热力学方法的作者强调了这样一个事实:生命对应于远离平衡的耗散过程[10],从而解释了如何在不违反第二定律的情况下产生自组织[11]另一方面,实验分子进化[12]以及理论发展[13,14]支持基于动力学的视图。采用这种动力学方法,自然选择的概念能够超越生物学,从而适用于分子水平。这两种观点在由RNA世界假说主导的背景下分别进展,尽管该假设未能消除基本困境,因为它导致了对生命起源的所谓的遗传和代谢方法的冲突[15]

实际上,早在1922年,Lotka的开创性工作,通过在同一期PNAS上发表的两篇连续文章,题为“对进化的能量学的贡献” [16]和“自然选择作为一种物理原理” [17]分别考虑了解决问题的两种方法,以说明生命的特殊性(虽然未提及原产地问题)。这个简单的事实证明了他如何密切关注生命的代谢和遗传特征。因此,任何寻求识别造成生命出现的物理原理的生命起源的物理化学描述都应考虑到这两个因素。事实上,我们相信通过这种双重方法,可以建立描述生命起源的理论框架,能够帮助确定负责自我组织的驱动力,以及确定能够支持生命出现的可能条件和早期发展。


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