Un conjunto autocatalítico es una colección de entidades, cada una de las cuales puede ser creada catalíticamente por otras entidades dentro del conjunto, de modo que, en su conjunto, el conjunto sea capaz de catalizar su propia producción. De esta forma se dice que el conjunto en su conjunto es autocatalítico . Los conjuntos autocatalíticos se definieron originalmente y de manera más concreta en términos de entidades moleculares , pero más recientemente se han extendido metafóricamente al estudio de sistemas en sociología , ecología y economía .
Los conjuntos autocatalíticos también tienen la capacidad de replicarse si se dividen en dos espacios físicamente separados. Los modelos informáticos ilustran que los conjuntos autocatalíticos divididos reproducirán todas las reacciones del conjunto original en cada mitad, de forma muy parecida a la mitosis celular . En efecto, utilizando los principios de la autocatálisis, un metabolismo pequeño puede replicarse con muy poca organización de alto nivel. Esta propiedad es la razón por la que la autocatálisis es un candidato como mecanismo fundamental para la evolución compleja.
Antes de Watson y Crick , los biólogos consideraban que los conjuntos autocatalíticos eran, en principio, el modo en que funciona el metabolismo , es decir, una proteína ayuda a sintetizar otra proteína y así sucesivamente. Tras el descubrimiento de la doble hélice , se formuló el dogma central de la biología molecular , que es que el ADN se transcribe a ARN el cual se traduce a proteína. Se cree que la estructura molecular del ADN y el ARN, así como el metabolismo que mantiene su reproducción, son demasiado complejos para haber surgido espontáneamente en un solo paso a partir de una sopa de química.
Varios modelos del origen de la vida se basan en la noción de que la vida pudo haber surgido mediante el desarrollo de un conjunto autocatalítico molecular inicial que evolucionó con el tiempo. La mayoría de estos modelos que han surgido de los estudios de sistemas complejos predicen que la vida surgió no de una molécula con algún rasgo particular (como el ARN autorreplicante ) sino de un conjunto autocatalítico. El primer apoyo empírico provino de Lincoln y Joyce, quienes obtuvieron conjuntos autocatalíticos en los que "dos enzimas [de ARN] catalizan entre sí la síntesis a partir de un total de cuatro sustratos componentes". [1] Además, un proceso evolutivo que comenzó con una población de estos autorreplicantes produjo una población dominada por replicadores recombinantes .
La vida moderna tiene las características de un conjunto autocatalítico, ya que ninguna molécula en particular, ni ninguna clase de moléculas, es capaz de replicarse. Existen varios modelos basados en conjuntos autocatalíticos, incluidos los de Stuart Kauffman [2] y otros.
Dado un conjunto M de moléculas , las reacciones químicas se pueden definir aproximadamente como pares r = (A, B) de subconjuntos de M: [3]
a 1 + a 2 + ... + a k → b 1 + b 2 + ... + b k
Sea R el conjunto de reacciones permitidas. Un par (M, R) es un sistema de reacción (RS).
Sea C el conjunto de pares molécula-reacción que especifican qué moléculas pueden catalizar qué reacciones:
C = {(metro, r) | metro ∈ M, r ∈ R}Sea F ⊆ M un conjunto de alimentos (pequeñas cantidades de moléculas disponibles libremente en el medio ambiente) y R' ⊆ R algún subconjunto de reacciones. Definimos un cierre del conjunto de alimentos en relación con este subconjunto de reacciones Cl R' (F) como el conjunto de moléculas que contiene el conjunto de alimentos más todas las moléculas que se pueden producir a partir del conjunto de alimentos y usando solo reacciones de este subconjunto de reacciones. Formalmente Cl R' (F) es un subconjunto mínimo de M tal que F ⊆ Cl R' (F) y para cada reacción r'(A, B) ⊆ R':
A ⊆ Cl R' (F) ⇒ B ⊆ Cl R' (F)
Un sistema de reacción (Cl R' (F), R') es autocatalítico , si y sólo si para cada reacción r'(A, B) ⊆ R':
Sean M = {a, b, c, d, f, g} y F = {a, b}. Sea el conjunto R el que contiene las siguientes reacciones:
a + b → c + d, catalizado por g a + f → c + b, catalizado por d c + b → g + a, catalizado por d o f
De F = {a, b} podemos producir {c, d} y luego de {c, b} podemos producir {g, a} por lo que la clausura es igual a:
Cl R' (F) = {a, b, c, d, g}Según la definición, el subconjunto autocatalítico máximo R' constará de dos reacciones:
a + b → c + d, catalizado por g c + b → g + a, catalizado por d
La reacción para (a + f) no pertenece a R' porque f no pertenece al cierre. De manera similar, la reacción para (c + b) en el conjunto autocatalítico sólo puede ser catalizada por d y no por f.
Los estudios del modelo anterior muestran que la RS aleatoria puede ser autocatalítica con alta probabilidad bajo algunos supuestos. Esto se debe al hecho de que con un número creciente de moléculas, el número de reacciones y catalizaciones posibles aumenta aún más si las moléculas crecen en complejidad, produciendo de manera estocástica reacciones y catalizaciones suficientes para hacer que una parte del RS sea autosuficiente. [4] Un conjunto autocatalítico se extiende muy rápidamente con un número creciente de moléculas por la misma razón. Estos resultados teóricos hacen que los conjuntos autocatalíticos sean atractivos para la explicación científica del origen muy temprano de la vida.
Formalmente, es difícil tratar las moléculas como algo que no sean entidades no estructuradas, ya que el conjunto de reacciones (y moléculas) posibles se volvería infinito. Por lo tanto, todavía no es posible derivar polímeros arbitrariamente largos según sea necesario para modelar ADN, ARN o proteínas. Los estudios del Mundo ARN padecen el mismo problema.
Al contrario de la definición anterior, que se aplica al campo de la química artificial , hoy en día no existe una noción acordada de conjuntos autocatalíticos.
Si bien la noción de catalizador es secundaria en la medida en que sólo el conjunto en su conjunto tiene que catalizar su propia producción, es primaria en otras definiciones, lo que le da al término "Conjunto Autocatalítico" un énfasis diferente. Allí, cada reacción (o función, transformación) tiene que estar mediada por un catalizador. Como consecuencia, mientras media su reacción respectiva, cada catalizador también denota su reacción, lo que da como resultado un sistema autodenotado, lo cual es interesante por dos razones. En primer lugar, el metabolismo real está estructurado de esta manera. En segundo lugar, los sistemas que se autodenotan pueden considerarse como un paso intermedio hacia los sistemas que se autodescriben.
Desde un punto de vista tanto estructural como histórico natural, se puede identificar el SCA como el concepto más original captado en la definición formal, mientras que en la segunda, el reflejo del sistema en sí mismo ya se presenta explícitamente, ya que los catalizadores representan la reacción inducida por ellos. En la literatura sobre la ACS, ambos conceptos están presentes, pero se enfatizan de manera diferente.
Para completar la clasificación desde el otro lado, los sistemas generalizados de autorreproducción van más allá de la autodenotación. Allí ya no hay entidades no estructuradas que lleven las transformaciones, sino estructuras estructuradas y descritas. Formalmente, un sistema autorreproductor generalizado consta de dos funciones, u y c, junto con sus descripciones Desc(u) y Desc(c) junto con la siguiente definición:
u : Desc(X) -> X c : Desc(X) -> Desc(X)
donde la función 'u' es el constructor "universal" , que construye todo en su dominio a partir de descripciones apropiadas, mientras que 'c' es una función de copia para cualquier descripción. En la práctica, 'u' y 'c' pueden descomponerse en muchas subfunciones o catalizadores.
Tenga en cuenta que la función de copia (trivial) 'c' es necesaria porque, aunque el constructor universal 'u' también podría construir cualquier descripción, la descripción en la que se basaría sería en general más larga que el resultado, lo que representaría una identidad completa. replicación imposible.
Este último concepto se puede atribuir al trabajo de von Neumann sobre autómatas autorreproductores , donde sostiene una autodescripción necesaria para que cualquier sistema autorreproductor no trivial (generalizado) evite interferencias. Von Neumann también planeó diseñar un sistema de este tipo para un modelo químico.
Prácticamente todos los artículos sobre conjuntos autocatalíticos dejan abierto si los conjuntos deben considerarse autónomos o no. A menudo, se asume silenciosamente la autonomía de los decorados.
Probablemente, el contexto anterior tiene un fuerte énfasis en la autorreplicación autónoma y el origen temprano de la vida. Pero el concepto de conjuntos autocatalíticos es en realidad más general y de uso práctico en diversas áreas técnicas, por ejemplo donde se manejan cadenas de herramientas autosostenibles. Es evidente que tales conjuntos no son autónomos y son objetos de la acción humana.
Se pueden encontrar ejemplos de la importancia práctica de los conjuntos autocatalíticos no autónomos, por ejemplo, en el campo de la construcción de compiladores y en los sistemas operativos , donde la naturaleza autorreferencial de las respectivas construcciones se discute explícitamente, muy a menudo como bootstrapping .
Los conjuntos autocatalíticos constituyen sólo una de varias teorías actuales sobre la vida, incluido el quimiotón [5] de Tibor Gánti , el hiperciclo de Manfred Eigen y Peter Schuster , [6] [7] [8] los sistemas ( M,R ) [9] [10] de Robert Rosen , y la autopoiesis (o autoconstrucción ) [11] de Humberto Maturana y Francisco Varela . Todos estos (incluidos los conjuntos autocatalíticos) encontraron su inspiración original en el libro de Erwin Schrödinger ¿Qué es la vida? [12] pero al principio parecen tener poco en común entre sí, en gran parte porque los autores no se comunicaron entre sí y ninguno de ellos hizo referencia alguna en sus publicaciones principales a ninguna de las otras teorías. Sin embargo, hay más similitudes de las que parecen obvias a primera vista, por ejemplo entre Gánti y Rosen. [13] Hasta hace poco [14] [15] [16] casi no ha habido intentos de comparar las diferentes teorías y discutirlas juntas.
Algunos autores equiparan los modelos del origen de la vida con LUCA, el último ancestro común universal de toda la vida existente. [17] Se trata de un grave error resultante de no reconocer que L se refiere al último ancestro común, no al primer ancestro, que es mucho más antiguo: una gran cantidad de evolución ocurrió antes de la aparición de LUCA. [18]
Gill y Forterre expresaron el punto esencial de la siguiente manera: [19]
LUCA no debe confundirse con la primera célula, sino que fue producto de un largo período de evolución. Ser el "último" significa que LUCA fue precedido por una larga sucesión de "antepasados" más antiguos.