Chu trình cấu trúc cho năng lượng: một trạng thái độc đáo của định luật thứ hai của nhiệt động lực học đối với các hệ thống sống

Springer Science and Business Media LLC - Tập 61 - Trang 1266-1273 - 2018
Shunong Bai1, Hao Ge2, Hong Qian3
1Key Laboratory of Protein and Plant Gene Research, College of Life Sciences, Center for Quantitative Biology, Peking University, Beijing, China
2Beijing International Center for Mathematical Research (BICMR) and Biomedical Pioneering Innovation Center (BIOPIC), Peking University, Beijing, China
3Department of Applied Mathematics, University of Washington, Seattle, USA

Tóm tắt

Việc phân biệt giữa các sự vật và sự sống, hay giữa vật chất và sự sống, là một câu hỏi cơ bản. Mở rộng quan điểm về độ âm-entropi của E. Schrödinger và cấu trúc tiêu tán của I. Prigogine, chúng tôi đề xuất một góc nhìn động hóa học rằng quá trình "sống" đầu tiên được nhúng chủ yếu trong một tương tác đặc biệt giữa một cặp các thành phần cụ thể dưới các điều kiện môi trường tương ứng. Tương tác này tồn tại dưới dạng một phức hợp liên kết lực liên phân tử (IMFBC) kết hợp hai quá trình hóa học riêng biệt: một là sự hình thành tự phát của IMFBC được thúc đẩy bởi sự giảm năng lượng tự do Gibbs như một quá trình tiêu tán; trong khi quá trình còn lại là sự phân tách của IMFBC được thúc đẩy nhiệt động lực học bởi năng lượng tự do từ môi trường. Hai quá trình hóa học được IMFBC kết hợp đã phát sinh độc lập và được coi là không sống trên Trái đất, nhưng sự kết hợp IMFBC của hai quá trình này có thể được xem là hình thức trao đổi chất đầu tiên: dấu mốc đầu tiên trên con đường từ sự vật đến sự sống. Sự hình thành và phân tách động của IMFBC, như một cá thể tổng hợp, tuân theo một nguyên tắc được gọi là "... cấu trúc cho năng lượng cho cấu trúc cho năng lượng ...", chu trình này tiếp diễn; và để ngắn gọn, nó sẽ được gọi là "chu trình cấu trúc cho năng lượng". Với các đặc điểm bổ sung phát sinh từ điểm khởi đầu này, quá trình "sống" tập trung xung quanh IMFBC đã tự phát tiến hóa thành các sinh vật sống phức tạp hơn với những đặc tính hiện tại mà chúng ta biết đến.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Anderson, P.W. (1972). More is different: broken symmetry and nature of hierarchical structure of science. Science 177, 393–396. Anfinsen, C.B. (1973). Principles that govern the folding of protein chains. Science 181, 223–230. Blum, H.F. (1951). Time’s Arrow and Evolution. (Princeton: Princeton University Press). Chan, H.S. (1995). Kinetics of protein folding. Nature 373, 664–665. Cohen, S.N., and Chang, A.C.Y. (1973). Recircularization and autonomous replication of a sheared R-factor DNA segment in Escherichia coli transformants. Proc Natl Acad Sci USA 70, 1293–1297. Copley, S.D. (2015). An evolutionary biochemist’s perspective on promiscuity. Trends Biochem Sci 40, 72–78. Copley, S.D., Smith, E., and Morowitz, H.J. (2005). A mechanism for the association of amino acids with their codons and the origin of the genetic code. Proc Natl Acad Sci USA 102, 4442–4447. Crick, F. (1958). On protein synthesis. Symposia Society Exp Biol 12, 138–163. Crick, F. (1970). Central dogma of molecular biology. Nature 227, 561–563. Crick, F. (1981). Life Itself: Its Origin and Nature. (New York: Simon & Schuster). Drygin, Y. (1998). Natural covalent complexes of nucleic acids and proteins: some comments on practice and theoryon the path from wellknown complexes to new ones. Nucleic Acids Res 26, 4791–4796. Dyson, F.J. (1999). Origins of life, Rev. ed. (Cambridge England; New York: Cambridge University Press). Eigen, M., McCaskill, J., and Schuster, P. (1988). Molecular quasi-species. J Phys Chem 92, 6881–6891. Eigen, M., and Schuster, P. (1979). The Hypercycle, a Principle of Natural Self-Organization. (Berlin; New York: Springer-Verlag). Fisher, M.E., and Zuckerman, D.M. (1998). Chemical association via exact thermodynamic formulations. Chem Phys Lett 293, 461–468. Ge, H., Qian, M., and Qian, H. (2012). Stochastic theory of nonequilibrium steady states. Part II: applications in chemical biophysics. Phys Rep 510, 87–118. Harrison, L.G. (1993). Kinetic Theory of Living Pattern. (Cambridge; New York: Cambridge University Press). Hopfield, J.J. (1978). Origin of the genetic code: a testable hypothesis based on tRNA structure, sequence, and kinetic proofreading. Proc Natl Acad Sci USA 75, 4334–4338. Hopfield, J.J. (1994). Physics, computation, and why biology looks so different. J Theor Biol 171, 53–60. Huang, S., Li, F., Zhou, J.X., and Qian, H. (2017). Processes on the emergent landscapes of biochemical reaction networks and heterogeneous cell population dynamics: differentiation in living matters. J R Soc Interface 14, 20170097. Jackson, D.A., Symons, R.H., and Berg, P. (1972). Biochemical method for inserting new genetic information into DNA of simian virus 40: circular SV40 DNA molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA 69, 2904–2909. Kauffman, S.A. (1969). Metabolic stability and epigenesis in randomly constructed genetic nets. J Theor Biol 22, 437–467. Kauffman, S.A. (2011). Approaches to the origin of life on Earth. Life 1, 34–48. Kirschner, M., and Gerhart, J. (2005). The Plausibility of Life: Resolving Darwin’s Dilemma. (New Haven: Yale University Press). Kohler, R. (1971). The background to Eduard Buchner’s discovery of cell-free fermentation. J History Biol 4, 35–61. Kohler, R.E. (1972). The reception of Eduard Buchner’s discovery of cellfree fermentation. J History Biol 5, 327–353. Leopold, P.E., Montal, M., and Onuchic, J.N. (1992). Protein folding funnels: a kinetic approach to the sequence-structure relationship. Proc Natl Acad Sci USA 89, 8721–8725. Li, H., Helling, R., Tang, C., and Wingreen, N. (1996). Emergence of preferred structures in a simple model of protein folding. Science 273, 666–669. Miller, S.L. (1953). A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science 117, 528–529. Miller, S.L., and Urey, H.C. (1959). Organic Compound Synthes on the Primitive Eart: several questions about the origin of life have been answered, but much remains to be studied. Science 130, 245–251. Monod, J., Wyman, J., and Changeux, J.P. (1965). On the nature of allosteric transitions: a plausible model. J Mol Biol 12, 88–118. Morowitz, H.J. (1968). Energy Flow in Biology Biological Organization as a Problem in Thermal Physics. (New York: Academic Press). Noble, D. (2006). The Music of Life: Biology Beyond the Genome. (Oxford; New York: Oxford University Press). Oparin, A.I. (1953). The Origin of Life, 2d ed. (New York: Dover Publications). Orgel, L.E. (2004). Prebiotic chemistry and the origin of the RNA world. Crit Rev Biochem Mol Biol 39, 99–123. Prigogine, I., Nicolis, G., and Babloyantz, A. (1972a). Thermodynamics of evolution. Phys Today 25, 23–28. Prigogine, I., Nicolis, G., and Babloyantz, A. (1972b). Thermodynamics of evolution: ideas of nonequilibrium order and of search for stability extend darwins concept back to prebiotic stage by redefining “fittest”. Phys Today 25, 38–44. Qian, H. (2006). Open-system nonequilibrium steady state: statistical thermodynamics, fluctuations, and chemical oscillations. J Phys Chem B 110, 15063–15074. Qian, H. (2017). Information and entropic force: physical description of biological cells, chemical reaction kinetics, and information theory (in Chinese). Sci Sin Vitae 47, 257–261. Qian, H., Ao, P., Tu, Y., and Wang, J. (2016). A framework towards understanding mesoscopic phenomena: emergent unpredictability, symmetry breaking and dynamics across scales. Chem Phys Lett 665, 153–161. Rose, S. (2016). How to Get Another Thorax. London Review of Books 38, 15–17. Saitta, A.M., and Saija, F. (2014). Miller experiments in atomistic computer simulations. Proc Natl Acad Sci USA 111, 13768–13773. Schrodinger, E. (1945). What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. (Cambridge England; New York: The University press; The Macmillan company). Smith, E., and Morowitz, H.J. (2016). The origin and nature of life on Earth: the emergence of the fourth geosphere. (Cambridge: Cambridge U. Press), pp. 691. Thomas, J.M. (2002). The scientific and humane legacy of Max Perutz (1914–2002). Angew Chem Int Ed 41, 3155–3166. Wachtershauser, G. (1988). Before enzymes and templates: theory of surface metabolism. Microbiol Rev 52, 452–484. Wächtershäuser, G. (2006). From volcanic origins of chemoautotrophic life to Bacteria, Archaea and Eukarya. Philos Trans R Soc B-Biol Sci 361, 1787–1808. Walker, S.I. (2017). Origins of life: a problem for physics, a key issues review. Rep Prog Phys 80, 092601. Watson, J.D., and Crick, F.H. (1953). Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171, 737–738.