[논문 리뷰] Spatial Structure Supports Diversity in Prebiotic Autocatalytic Chemical Ecosystems

Alex M. Plum, Kempes, Christopher P.외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 29.

Origins and Evolution of Life인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 광물 표면 및 2차원 반응-확산 시스템과 같은 공간적 구조가 선생화학 생태계(ACEs)에서 자가촉매 순환(ACs)의 공존을 가능하게 하여 더 높은 다양성을 지원하고, 유전 정보가 없는 모델에서는 볼 수 없는 확산성과 같은 특성에 대한 선택을 가능하게 한다. 확률적이고 입자 기반의 시뮬레이션을 통해 공간적 이질성이 이질적인 ACs를 안정화시키고, 유전 정보가 없는 상태에서도 자연 선택과 유사한 생태학적 역학을 촉진함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공간적 구조—예를 들어 광물 표면 및 2차원 확산—가 선생화학적 환경에서 자가촉매 화학 생태계(ACEs)의 안정성과 다양성에 어떤 영향을 미치는지 조사하기.
• 공간적 구조가 잘 섞인 환경에서 상호 억제적인 관계에 있는 자가촉매 순환(ACs)의 공존을 가능하게 하는지 판단하기.
• 공간적 이질성이 자가촉매 시스템에서 유전 정보가 없는 상태에서도 확산성과 같은 물리적 특성에 대한 선택을 어떻게 유도하는지 탐색하기.
• 공간적으로 구조화된 ACEs 내에서 경쟁, 상호주의, 계승과 같은 생태학적 역학—예를 들어, 평균장 화학분리기 모델에 없는 것들—이 어떻게 나타나는지 모델링하기.
• 외부 공간적 구조가 초기 생명에서 자가조직화된 내재적 세포소기관으로 전이될 수 있는 기반을 마련하기.

제안 방법

• 2차원 개방 공간 영역과 흡착성 광물 표면에서 입자 기반의 확률적 반응-확산 모델을 사용하여 ACEs를 시뮬레이션하였다.
• 환경적 및 인구적 노이즈를 포괄하기 위해 이산 확률적 동역학을 적용하여 선생화학에서 중요한 저복합수 동역학을 캡처하였다.
• 공통 자원 경쟁 또는 부산물 억제를 통해 ACs 간 상호 억제를 모델링하여 이분기 시스템을 생성하였다.
• 식량의 공간적으로 균일한 유입과 부산물의 유출을 통합하여 AC 활동을 지속시켰으며, 공간 제약 조건이 있는 화학분리기 유사 조건을 모방하였다.
• ACs의 안정적 경계와 패치형 분포의 발생을 추적하고, 다양한 확산성 및 흡착 매개변수에서의 안정성과 공존 가능성을 분석하였다.
• 모델을 확장하여 공간적으로 분리된 ACEs 간 물질 유동이 포함된 메타생태계 동역학(ACMEs)을 통합하였으며, 복잡하고 트리형이 아닌 진화적 역학을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선생화학 환경에서 공간적 구조가 잘 섞인 조건에서 상호 억제적인 관계에 있는 자가촉매 순환(ACs)의 공존을 지원할 수 있는가?
• RQ2 공간적 이질성이 자가촉매 시스템에서 유전 정보가 없는 상태에서도 확산성과 같은 물리적 특성에 대한 선택을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 공간적으로 구조화된 모델은 평균장 화학분리기 모델에 없는 생태학적 역학—예를 들어, 경쟁, 상호주의 또는 계승—을 어느 정도 드러내는가?
• RQ4 공간적으로 분리된 ACEs가 안정적이고 功能적으로 다른 단위를 형성하여 원시 다윈주의 집단(ACMEs)으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 외부적으로 부여된 공간적 구조(예: 광물 표면)에서 복합화합물 생성을 통해 형성된 내재적 세포소기관으로의 전이 과정을 어떻게 모델링하고 화학적 역학으로 뒷받침할 수 있는가?

주요 결과

• 공간적 구조는 잘 섞인 화학분리기 모델에서는 안정적으로 공존하지 못할 만한 상호 억제적인 자가촉매 순환(ACs)의 공존을 가능하게 한다.
• 확률적이고 입자 기반의 시뮬레이션은 확산성과 표면 흡착이 AC 인구를 안정화시키고, 공간적으로 이질적이고 패치형 분포가 나타나는 것을 가능하게 함을 보여준다.
• 공간 모델에서 확산성이 선택 가능한 특성이 된다—낮은 확산성을 가진 ACs는 국소적 패치에서 더 오래 지속될 가능성이 높으며, 이는 평균장 모델에서는 존재하지 않는 선택 압력이다.
• 공간적으로 구조화된 시스템은 새로운 ACs가 도입되었을 때 계승적 생태학적 역학을 나타내며, 하流의 ACs는 상류 순환이 먼저 정착한 후에만 활성화된다.
• 공간적으로 분리된 ACEs 사이에 안정적인 경계가 형성되어 세포막이 없더라도 독립된 생태학적 단위로 기능할 수 있다.
• 공간적으로 분리된 ACEs 간 물질 유동(ACMEs 형성)은 생물학적 수평 유전자 이동과 유사한 복잡하고 트리형이 아닌 진화적 역학을 유도할 수 있다.