Влияние «мутационных» процессов на переход от маловидовой системы к многовидовой

Аннотация

Одной из важнейших проблем современной биофизики является проблема происхождения и развития жизни. Так как экспериментальные исследования проблемы происхождения и эволюции жизни на Земле осложнены отсутствием данных о том времени, когда эти процессы происходили, естественным является тщательное математическое и компьютерное моделирование ее важнейших этапов. Целью данной работы являлось изучение этапа перехода от маловидовой системы к многовидовой в процессе эволюции жизни на Земле, т. е. тот период, на котором от самосформировавшегося предшественника живой клетки под воздействием внешних условий, генерирующих случайные «мутации», образуется многовидовое сообщество близких «предклеток», связанных простыми взаимодействиями. В процессе моделирования мы наблюдаем разное количество образовавшихся видов – когда выживает один автокатализатор, мы видим небольшое количество видов, когда оба автокатализатора вымылись из системы, мы наблюдаем только один исходный вид. Наибольшее количество видов наблюдается в условиях, где оба автокатализатора выживают. V_max стремится к максимальному значению диапазона, а константа Моно – к минимальному значению диапазона (кроме работы в режиме колебаний – в этом режиме наблюдалось временное возрастание и выход на плато).

1. Введение

Согласно концепции происхождения жизни, предложенной учеными Института биофизики [Барцев, 2005], предшественником биосферы был геохимический цикл фазово-обособленных автокаталитических систем. Автокатализаторы для автокаталитического размножения использовали энергию базовых реакций в геохимическом цикле. Автокатализаторы размножаются по Моно, и сильно упрощая биосферу, ее можно представить следующей установкой (рис. 1):

Рисунок 1. Упрощенная схема экспериментальной установки с замкнутым циклом круговорота веществ для моделирования начальных стадий эволюции хемосферы:

1. Проточный реактор идеального перемешивания, моделирующий жидкую планетарную среду, в которой развиваются фазовообособленные автокаталитические системы.

2. Сепаратор, отделяющий воду от хемомассы, продуктов химических реакций, протекающих в реакторе, и других веществ, поступающих из реактора.

3. Хранилище всех веществ, поступающих из реактора.

4. Физико-химический блок регенерации веществ, используемый для получения веществ, необходимых для создания реакционной среды.

5. Устройство для приготовления реакционной среды.

Реагенты и другие вещества, необходимые для возникновения и существования фазово-обособленных автокаталитических систем, подаются в проточный реактор идеального перемешивания с выбранной постоянной скоростью. Возникающие в реакторе автокаталитические системы эволюционируют в протоке в результате конкуренции за необходимые для их существования реагенты. Вещества, удаляемые из реактора, разделяется на чистую воду, которая после внесения в нее необходимых веществ из блока регенерации возвращается в реактор, и все остальные вещества, включая хемомассу, которые поступают в хранилище и затем регенерируются в физико-химическом блоке.

Предполагается, что автокаталитические системы самоформируются в реакторе с определенной невысокой вероятностью и изменяют свои свойства случайным образом с более высокой вероятностью. В результате конкуренции на протоке происходит естественный дарвиновский отбор, и параметры эволюционирующих автокаталитических систем закономерно изменяются в определенных направлениях. Более сложная картина наблюдается при возникновении и эволюции в реакторе нескольких типов автокаталитических систем с взаимодействием между ними.

В соответствии с представленной моделью, в системе взаимодействуют два автокатализатора, связанные по типу хищник-жертва, и их метаболизм описывается реакциями:

В соответствии с реакциями (1) процессы в системе описываются системой дифференциальных уравнений:

где S, E1, E2, P1, P2 – концентрации субстрата, первого и второго автокатализатора, и их продуктов соответственно, S0 – начальная концентрация субстрата первого автокатализатора, μ1(S) и μ2(E1) - удельные скорости роста автокатализаторов, m1 и m2 – максимальные скорости роста автокатализатора для каждого из субстратов, K1, K2 - константы Моно, D – скорость протока.

Разработан специальный интерфейс, который отображает двумерные и трехмерные графические картины развития системы, а также позволяет регулировать изменяемые параметры системы посредством панели опций.