自由能源潜力阈值作为生命起源的要求

观察由动态动力学稳定性控制的物理化学行为的关键条件是该系统是自我复制的并且能够经历指数生长[13,14,62,63]。这些条件进一步暗示系统保持在远离平衡状态，并且所涉及的化学自催化过程必须在动力学上是不可逆的（即，在生殖/生成的时间尺度上逆反应的速率必须可忽略不计）[1 ，4]。通过分析耗散结构的出现的众所周知的例子，可以更容易地理解该要求的性质。研究最多的是当液体层的底部表面被加热时出现对流（图5）。事实证明，低温梯度不足以观察对流，并且最小梯度必须超过阈值，高于该阈值观察到Raleigh-Bénard不稳定性（图5）。当然，对流的结果是由此产生的非线性过程增加了能量耗散，尽管它的出现取决于重力的作用和流体动力学的规律。

关于生命的起源，我们建议也存在类似的阈值[4]，这可以被认为是需要动力学不可逆性的结果。高于该阈值（与表示距平衡距离的化学自由能潜力值相关），自催化剂变体之间的动力学选择变得有效[13,14,62,63]，其再现与负责自然选择的行为相似的行为。与此阈值相关的不可逆性条件，表示为比反向过程更短的再生/生成时间尺度，提供了一种半定量评估动力学障碍的方法[55,56]。该评估基于时间尺度，动力学障碍和温度之间的关系，并考虑以下假设：

• 尽可能低的温度，但允许水处于液态（较高的温度会强烈增加阈值），

• 生成时间为1秒至100年。

因此，阈值可以表示为对应于向系统供给能量的化学量子的最小自由能势。确保动力学不可逆性所需的动力学障碍对应于大约1的值。100 kJ mol -1该值对应于共价键自由能的一小部分（然后是通常观察到的反应动力学障碍），这表明在一定温度范围内（约300 K） ，碳的化学 - 最容易形成共价键的元素 - 应该优先参与基于能够自我复制的实体的特异性的自组织过程。此外，能量输入允许不可逆地形成具有与ATP等生化中间体相当的活化度的中间体，需要超过150kJ mol -1的自由能势，相当于可见光[4,55]。 ，56]。因此，事实证明，考虑到动态动力学稳定性的动力学条件，导致生命起源条件的定义或多或少地对应于原始地球上生命发展的条件（有机化学，液态水和可见光）或紫外线）。在这里，最近的一些实验工作表明，光化学如何导致生化构件与生命起源的进一步发展相适应[8,9]。

可演化性和生命的起源

这个讨论没有考虑到系统发展的能力，这不是当前工作的目标，但显然是任何进化可能性的要求[64,65]。变异的扩展可能性确实是系统进行开放式演化的必要条件[66]。将遗传信息作为序列存储在与通过碱基配对的模板复制相关的聚合物中构成了确保可进化性的有效系统。正如我们在地球上所知道的那样，这种可演化性可以选择生命。然而，由于上面已经提到平衡的接近作为限制，长链与片段相比更高的亲和力是另一个限制（产物抑制）的来源。von Kiedrowski为模板复制发现的这种限制[67]，导致亚指数增长。事实证明，至少在这个时候，没有任何孤立的系统能够自我繁殖，呈现出生命出现所需的所有品质：即通过碱基配对复制核酸受到抛物线生长和自催化网络的限制。目前有限的可变性可能性。这种情况导致该领域的许多研究人员支持共同进化方法，其中几个能够自我复制的子系统可以合作以启动自然选择的可能性[68,69]。值得注意的是，几年前，通过TiborGánti [70]的开创性工作，已经建议将子系统之间的合作需求作为自主自我复制系统的一项要求。。如果我们认为从无生命物质到生物体的过程通过增加DKS的阶段进展，那么最重要的转变很可能对应于协同关联的开始，这对应于系统复杂性的增加和动态动力学稳定性。Lynn Margulis [71]提出的突破性内共生理论半个世纪前解释真核细胞的形成实际上只是一个特别引人注目的合作社联合行动的例子。同样重要的是要强调，合作可能涉及通过直接结合或封装在不同组分之间的物理联系，但反应物或产物可能对不同系统共有的功能联系也是重要的。

有机化学和生命的起源

这里提出的思路指向了一种全球性的方法来解释生命的出现，这种偶然事件发生在一个环境中，在这种背景下，向更有效的自我复制系统的动力驱动力受到热力学的约束，以及涉及碳的共价键的性质。由于与共价键相关的动力学障碍，它们支持有机化学在生命起源过程中的重要作用。令人鼓舞的是，最近的实验表明，在简单的有机物中可以观察到复杂的动力学行为[72,73]，并不是无机系统或酶促反应网络。我们的方法，从基于自我复制实体的动力学特性的自组织过程的假设开始，导致对基于有机化学的自组织过程所需的环境条件进行半定量评估。值得指出的是，这种评估与可见光作为能源和中等温度兼容，两者都可以在地球早期的表面找到。然而，这些考虑因素本身并不能解决生命起源的问题，或者至少是由DKS增加驱动的进化过程的起始点。该过程中涉及的化学物种的确切性质仍然未知。然而，有趣的是，[74,75]已经证明，某种选择性化学可以通过光化学途径同时产生与生物化学中发现的各种前体类似的前体（氨基酸，核苷酸和脂质前体）。

本文试图将生命及其出现置于一般的物理化学环境中。一旦人们意识到生命从一个具有明确驱动力的明确过程中的无生命开始出现，那么以某种方式设法将有生命和无生命的概念世界分开的中国墙最终会被破坏。生物和物理世界通过过程密切相关。有一个明确的和物理化学定义的过程，在适当的条件下，从化学到生物学，从而将这两个世界合并为一个。因此，虽然生命是一个复杂的化学系统，表现出复杂的动力学行为，但这种复杂的行为可以追溯到远离平衡并由动能驱动力引导的自我复制化学系统。能够朝着增加动态动力学稳定性的方向发展的化学系统 - 生命 - 需要赋予三个基本特性。它们必须能够自我复制，它们的结构应该与变化的可能性兼容，并且它们应该通过持续的能量供应保持在远离平衡状态的动态中。那么选择是不可避免的结果。根据达尔文理论，正是推动进化的选择。然而，自然选择是一个非常具体的过程，仅适用于自然界的一部分，并且似乎脱离了传统的物理化学行为。距离平衡的距离和能量耗散的最大化都不构成生命出现的驱动力，但它们对应于前者发展的条件和与后者的行为相关的表现形式。生命的实际驱动力与由自我复制实体表达的指数增长的力量相关联。此外，基于这些实体的动力学特性的自动组织过程的假设导致对自组织过程所需的环境条件的半定量评估，其基于已建立的有机化学过程。值得注意的是，这种评估与可见光作为能源兼容，温度适中，

这种专注于从化学系统中出现的生物系统方法具有一些深远的影响。生物学的“自主权”观点[76]仍然深深植根于生命科学思想中，需要重新评估，因为它破坏了理解生物学更深层本质的尝试。事实上，化学几乎肯定会随着时间的推移而演变为生物学，这是最明确的说法，即物理和生物世界仅仅是物理化学 - 生物连续体的两个区域。这也意味着更深层意义上的生物学理解必须在于物理学和化学。生物学家的尴尬现实 - 生物学的本质，在那些物理化学起源中分泌出来的主要是在声称研究它的主题之外。

最后，将生命理解为一个复杂的动力学过程，可以得出关于人们普遍认为生命，它的出现和进化可被理解为热力学现象的结论。我们认为现在有明确的证据表明反对热力学观点（尽管生命过程必然受到热力学约束的约束）。支持动力学范式的关键点可归纳如下：

1.细胞是生物学的基本单元，它从简单的化学开始发展到最小化能量耗散，而不是最大化它。这反映在细胞再现设备的非凡效率上，该设备已经发展为最大化再现而不是能量消耗。

2.虽然增加复杂性的演化过程是一种广泛观察到的现象，但向更复杂状态的过渡可能会导致能量耗散减少，如各种实验情况[37]以及所描述的动力学模拟所表达的那样。在本文中。生命能量耗散观的明显例外的存在质疑了一般热力学范式的有效性。

作为一般规则，动力学途径不能从热力学因素推断出来。任何两个热力学状态都可能通过无限多个动力学途径连接，并且需要额外的热力学信息来推断在任何特定情况下遵循哪个途径。鉴于所有持续复制系统本质上都是动力学稳定状态，因此基于复制本质的进化过程本质上也必须是动力学的。因此，主要由动力学因素控制的任何过程不太可能通常以热力学术语描述。

结束评论：为了解决生活中最普遍的问题 - 例如，生活可以基于另一种化学，我们如何识别这种生命形式 - 对生命是什么的更化学明确的理解是必要的。理查德费曼的着名格言：“我无法创造，我不明白”指出前进的方向。鉴于此处和早期出版物中对生命过程的精确物理化学描述，现在已经指出了合成简单原生生物系统的具体化学步骤[54]。这个目标，无论何时何地实现，都将大大有助于回答常年的“生命是什么”问题，并回答非历史问题，无论什么样的无生命物质如何能够演变成生命。