[论文解读] 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 7

一句话总结

本文表明，空间结构（如矿物表面和二维反应-扩散系统）可促进原始化学生态系统（ACE）中自催化循环（AC）的更大共存，支持更高的多样性，并实现对扩散性等在均相模型中不可见性状的自然选择。通过基于粒子的随机模拟，研究显示空间异质性可稳定原本不相容的AC，并在缺乏遗传信息的情况下促进类似自然选择的生态动力学。

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.

研究动机与目标

• 研究空间结构（如矿物表面和二维扩散）如何影响原始环境中自催化化学生态系统（ACE）的稳定性和多样性。
• 确定空间结构是否能促成原本在均相环境中相互抑制的自催化循环（AC）的共存。
• 探讨空间异质性如何在缺乏遗传信息的化学系统中引入新的演化动力学，包括对扩散性等物理性状的选择。
• 模拟空间结构ACE中生态类似动力学（如竞争、共生和演替）的出现。
• 为理解外部空间结构如何过渡为早期生命中自组织的内源性区室化奠定基础。

提出的方法

• 在二维开放空间域和吸附性矿物表面中，使用基于粒子的随机反应-扩散模型模拟ACE。
• 采用离散随机动力学模拟环境和种群噪声，捕捉与原始化学相关的低拷贝数动力学。
• 通过共享资源竞争或废物产物抑制来建模AC之间的相互抑制，形成双稳态系统。
• 引入空间约束下的空间均匀食物流入和废物流出，以维持AC活性，模拟具有空间限制的恒化器条件。
• 追踪AC稳定边界和空间异质性分布的出现，分析其在不同扩散性和吸附参数下的稳定性与共存性。
• 将模型扩展至包含元生态系统动力学（ACMEs），其中空间分离的ACE之间存在物质流动，引入复杂且非树状的演化动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 原始环境中空间结构能否支持在均相条件下相互抑制的自催化循环的共存？
• RQ2 空间异质性如何在缺乏遗传编码的自催化系统中实现对扩散性等物理性状的选择？
• RQ3 空间结构模型在多大程度上揭示了均相恒化器模型中所不具备的生态动力学（如竞争、共生或演替）？
• RQ4 空间分离的ACE能否形成稳定且功能不同的单位，作为原始达尔文种群（ACMEs）发挥作用？
• RQ5 如何建模并由化学动力学支持从外源性空间结构（如矿物表面）向内源性形成的区室（如通过两亲分子生成）的转变？

主要发现

• 空间结构使多个原本相互抑制的自催化循环（AC）能够共存，而这些AC在均相恒化器模型中无法稳定共存。
• 基于粒子的随机模拟表明，扩散和表面吸附可稳定AC种群，并促进空间异质性、斑块状分布的出现。
• 在空间模型中，扩散性成为可选择性状——扩散性较低的AC更可能在局部斑块中持续存在，这种选择压力在平均场模型中不存在。
• 空间结构系统在引入新AC时表现出生态演替，下游AC仅在上游循环建立后才被激活。
• 空间分离ACE之间稳定边界的形成，使其即使在无细胞膜的情况下也能作为独立的生态单元运作。
• 空间分离ACE之间的物质流动（形成ACMEs）可导致复杂且非树状的演化动力学，类似于生物学中的水平基因转移。