[論文レビュー] Spatial Structure Supports Diversity in Prebiotic Autocatalytic Chemical Ecosystems

Alex M. Plum, Kempes, Christopher P.+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2022

Origins and Evolution of Life被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、鉱物表面や2次元反応拡散系といった空間的構造が、原始的生命化学的エコシステム（ACE）における自己触媒的サイクル（AC）の共存を促進し、より高い多様性を実現するとともに、遺伝的情報が存在しない状況でも拡散性などの特性に対する選択を可能にすることを示している。確率的で粒子ベースのシミュレーションにより、空間的不均一性が、もともとは互いに不相容となるACを安定化させ、遺伝子情報が存在しない状況でも自然選択に類似した生態的ダイナミクスを促進することが明らかになった。

ABSTRACT

Autocatalysis is thought to have played an important role in the earliest stages of the origin of life. An autocatalytic cycle (AC) is a set of reactions that results in stoichiometric increase in its constituent chemicals. When the reactions of multiple interacting ACs are active in a region of space, they can have interactions analogous to those between species in biological ecosystems. Prior studies of autocatalytic chemical ecosystems (ACEs) have suggested avenues for accumulating complexity, such as ecological succession, as well as obstacles such as competitive exclusion. We extend this ecological framework to investigate the effects of surface adsorption, desorption, and diffusion on ACE ecology. Simulating ACEs as particle-based stochastic reaction-diffusion systems in spatial environments-including open, two-dimensional reaction-diffusion systems and adsorptive mineral surfaces-we demonstrate that spatial structure can enhance ACE diversity by i) permitting otherwise mutually exclusive ACs to coexist and ii) subjecting new AC traits to selection.

研究の動機と目的

• 空間的構造（鉱物表面や2次元拡散など）が、原始的条件下における自己触媒的化学的エコシステム（ACE）の安定性と多様性に与える影響を調査すること。
• 空間的構造が、混合系では互いに相殺しあう可能性があるが、空間的に分離された環境では共存を可能にする自己触媒的サイクル（AC）の共存を可能にするかどうかを特定すること。
• 空間的不均一性が、遺伝情報が欠如した化学系において、拡散性などの物理的特性に対する選択を含む、新たな進化的ダイナミクスをどのように導入するかを調査すること。
• 空間的構造を持つACE内で、競争、相互主義、群集遷移などの生態的ダイナミクス（例：競争、相互主義、群集遷移）がどのように出現するかをモデル化すること。
• 外部から与えられた空間的構造が、初期生命において自己組織的・内発的コンpartiment化へと移行するメカニズムを理解する基盤を築くこと。

提案手法

• 2次元の開放的空間領域および吸着性鉱物表面を用いた、粒子ベースの確率的反応拡散モデルを用いてACEをシミュレートした。
• 環境的および人口的ノイズを捉えるために、離散的確率的力学を用い、原始的化学に特徴的な低コピー数ダイナミクスを再現した。
• 共通の資源競合や生成物の抑制によってAC間の相互抑制をモデル化し、二安定系を形成した。
• 食品の空間的に均一な流入と廃棄物の流出を導入し、ACの活性を維持した。これは空間的制約を伴う化学スタットに類似した条件を模倣したものである。
• ACの安定的境界や空間的不均一な分布の出現を追跡し、拡散係数や吸着パラメータを変化させた場合の安定性と共存性を分析した。
• ACME（meta-ecosystem）を含む拡張モデルを構築し、空間的に分離されたACE間の物質移動が、非木構造的で複雑な進化的ダイナミクスを生じることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的環境における空間的構造は、混合系では互いに不相容となる自己触媒的サイクル（AC）の共存を支えることができるか？
• RQ2 空間的不均一性は、遺伝的コードが欠如した自己触媒的系において、拡散性といった物理的特性に対する選択をどのように可能にするか？
• RQ3 空間的構造を持つモデルは、平均場的化学スタットモデルに欠如する生態的ダイナミクス（例：競争、相互主義、群集遷移）をどの程度明らかにするか？
• RQ4 空間的に分離されたACEは、安定的かつ機能的に異なる単位を形成し、原始的ダーウィニスティック集団（ACME）として機能できるか？
• RQ5 外部から強制された空間的構造（例：鉱物表面）から、両親性物質の生成によって生じる自己組織的コンパートメント化への移行を、化学的ダイナミクスによってどのようにモデル化・裏付けることができるか？

主な発見

• 空間的構造により、混合系の化学スタットモデルでは安定的に共存できない、複数の相互に不相容な自己触媒的サイクル（AC）の共存が可能になる。
• 確率的で粒子ベースのシミュレーションにより、拡散と表面への吸着がAC集団の安定化を促進し、空間的に不均一で斑点状の分布の出現を可能にする。
• 拡散性は空間モデルにおいて選択可能な特性となる——低拡散性のACは局所的パッチにより長期間存続しやすい。これは平均場モデルには存在しない選択圧である。
• 空間的構造を持つ系では、新しいACが導入されると、上流のサイクルが確立された後にのみ下流のACが活性化されるなど、群集遷移に類似したダイナミクスを示す。
• 空間的に分離されたACE間の安定的境界の形成により、細胞膜が存在しない状況でも、それらが独立した生態的単位として機能することが可能になる。
• 空間的に分離されたACE間の物質移動（ACMEの形成）により、非木構造的で複雑な進化的ダイナミクスが生じ、生物学的水平遺伝子移動に類似した現象が観察される。