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 es capaz de catalizar su propia producción. De esta manera, 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 separados físicamente. Los modelos informáticos ilustran que los conjuntos autocatalíticos divididos reproducirán todas las reacciones del conjunto original en cada mitad, de forma muy similar a la mitosis celular . En efecto, utilizando los principios de la autocatálisis, un metabolismo pequeño puede replicarse a sí mismo con muy poca organización de alto nivel. Esta propiedad es la razón por la que la autocatálisis es un candidato a ser el mecanismo fundamental para la evolución compleja.
Antes de Watson y Crick , los biólogos consideraban que los conjuntos autocatalíticos eran la forma en que funcionaba el metabolismo en principio, 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 en ARN que se traduce en 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 de una sopa de química.
Varios modelos sobre el origen de la vida se basan en la idea de que la vida pudo haber surgido a través del desarrollo de un conjunto molecular autocatalítico inicial que evolucionó con el tiempo. La mayoría de estos modelos que han surgido de los estudios de sistemas complejos predicen que la vida no surgió 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 [ARN] catalizan la síntesis de cada una de ellas 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 características de un conjunto autocatalítico, ya que ninguna molécula en particular, ni ninguna clase de moléculas, es capaz de replicarse a sí misma. 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]
a1 +a2 + ...+ ak → b1 + b2 + ...+ bk
Sea R el conjunto de reacciones permisibles. 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 = {(m, r) | m ∈ M, r ∈ R}Sea F ⊆ M un conjunto de alimentos (pequeñas cantidades de moléculas libremente disponibles en el entorno) y R' ⊆ R un subconjunto de reacciones. Definimos una clausura 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 utilizando únicamente 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 solo si para cada reacción r'(A, B) ⊆ R':
Sea 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, catalizada por g a + f → c + b, catalizada por d c + b → g + a, catalizada por d o f
De F = {a, b} podemos producir {c, d} y luego de {c, b} podemos producir {g, a} por lo que el cierre 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, catalizada por g c + b → g + a, catalizada 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 solo puede ser catalizada por d y no por f.
Los estudios del modelo anterior muestran que los RS aleatorios pueden ser autocatalíticos con alta probabilidad bajo ciertas suposiciones. Esto se debe al hecho de que con un número creciente de moléculas, el número de reacciones y catalizaciones posibles crece aún más si las moléculas crecen en complejidad, produciendo reacciones y catalizaciones lo suficientemente aleatorias como para hacer que una parte del RS sea autosuficiente. [4] Un conjunto autocatalítico se extiende entonces 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 a las moléculas como algo más que entidades no estructuradas, ya que el conjunto de reacciones (y moléculas) posibles se volvería infinito. Por lo tanto, todavía no es posible derivar polímeros de longitud arbitraria como los necesarios para modelar el ADN, el ARN o las proteínas. Los estudios del mundo del ARN sufren el mismo problema.
Contrariamente a la definición anterior, que se aplica al campo de la química artificial , hoy en día no existe una noción consensuada de conjuntos autocatalíticos.
Si bien en el caso anterior la noción de catalizador es secundaria en la medida en que sólo el conjunto en su conjunto tiene que catalizar su propia producción, en otras definiciones es primaria, lo que da al término "conjunto autocatalítico" un énfasis diferente. En este caso, cada reacción (o función, transformación) tiene que estar mediada por un catalizador. En consecuencia, al mismo tiempo que media su reacción respectiva, cada catalizador denota también su reacción, lo que da lugar a un sistema autodenominado, lo que es interesante por dos razones. En primer lugar, el metabolismo real está estructurado de esta manera. En segundo lugar, los sistemas autodenominados pueden considerarse un paso intermedio hacia los sistemas autodescriptivos.
Desde un punto de vista tanto estructural como histórico-natural, se puede identificar el ACS como el concepto más original en la definición formal, mientras que en la segunda, el reflejo del sistema en sí mismo ya se presenta de manera explícita, ya que los catalizadores representan la reacción inducida por ellos. En la literatura sobre ACS, ambos conceptos están presentes, pero se enfatizan de manera diferente.
Para completar la clasificación desde el otro lado, los sistemas autorreproductores generalizados van más allá de la autodenotación. En ellos, ya no son entidades no estructuradas las que llevan a cabo las transformaciones, sino entidades estructuradas y descritas. Formalmente, un sistema autorreproductor generalizado consta de dos funciones, u y c, junto con sus descripciones Desc(u) y Desc(c) según 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 desintegrarse en muchas subfunciones o catalizadores.
Tenga en cuenta que la función de copia (trivial) 'c' es necesaria porque, si bien el constructor universal 'u' también podría construir cualquier descripción, la descripción en la que se basaría, en general, sería más larga que el resultado, lo que haría imposible la autorreplicación completa.
Este último concepto puede atribuirse al trabajo de von Neumann sobre autómatas autorreproductores , donde sostiene que es necesaria una autodescripción para que cualquier sistema autorreproductor no trivial (generalizado) evite interferencias. Von Neumann también planeó diseñar un sistema de este tipo para un modelo de química.
Prácticamente todos los artículos sobre los conjuntos autocatalíticos dejan abierta la cuestión de si los conjuntos deben considerarse autónomos o no. A menudo, se da por sentado que los conjuntos son autónomos.
Es probable que el contexto anterior haga mucho hincapié en la autorreplicación autónoma y el origen temprano de la vida, pero el concepto de conjuntos autocatalíticos es en realidad más general y se utiliza en la práctica en diversas áreas técnicas, por ejemplo, donde se manejan cadenas de herramientas autosostenibles. Es evidente que dichos conjuntos no son autónomos y son objetos de la acción humana.
Se pueden encontrar ejemplos de importancia práctica de conjuntos autocatalíticos no autónomos, por ejemplo, en el campo de la construcción de compiladores y en los sistemas operativos , donde se analiza explícitamente la naturaleza autorreferencial de las respectivas construcciones, muy a menudo como bootstrapping .
Los conjuntos autocatalíticos constituyen sólo una de las varias teorías actuales sobre la vida, incluyendo 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 . Todas ellas (incluyendo los conjuntos autocatalíticos) encontraron su inspiración original en el libro de Erwin Schrödinger ¿Qué es la vida? [12] pero a primera vista parecen tener poco en común entre sí, en gran parte porque los autores no se comunicaron entre sí, y ninguno de ellos hizo referencia en sus principales publicaciones a ninguna de las otras teorías. No obstante, hay más similitudes de las que pueden ser 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 actual. [17] Este es un grave error que resulta 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 el producto de un largo período de evolución. Ser el "último" significa que LUCA fue precedido por una larga sucesión de "ancestros" más antiguos.