手性对称性破缺与信息积累：前生物原细胞演化的二维模型解析

本期推荐：本研究通过构建二维演化模型，首次将原细胞(protocells)的手性对称性(η)与信息存储能力(ζ)纳入统一框架。研究者采用Fredholm积分方程和Gillespie tau-leaping算法，揭示演化经历指数增长、扩散漂移、手性破缺(η→+1)和稳态弛豫四阶段。该工作为理解生命起源中homochirality形成与信息复杂性增长的协同机制提供了定量模型，发表于《Scientific Reports》。

　　在探索生命起源的奥秘中，两个核心问题始终困扰着科学家：有机分子如何从消旋混合物演变为单一手性构型（homochirality）的现代生物分子？原始生命系统如何实现信息代际传递的复杂性增长？现有研究多局限于单一维度，或聚焦手性对称性破缺（如Frank模型），或关注信息积累（如RNA世界假说），而二者在前生物环境中的协同演化机制仍是未解之谜。

加拿大Softellect Systems公司的Konstantin K.Konstantinov和Alisa F.Konstantinova团队在《Scientific Reports》发表研究，创新性地构建了包含总对映体过量度(η∈[-1,1])和信息存储量(ζ∈[0,L])的二维连续模型。通过Fredholm积分算子分析稳态解，结合改进的Gillespie tau-leaping算法模拟动态过程，首次揭示原细胞演化存在四个特征阶段：初始δ函数分布的指数爆发增长（t₀~10²年）、伴随信息漂移（β_ζ∝?k_a/?ζ）的扩散阶段、受全局不对称因子(g=0.002)驱动的手性快速破缺（η→+1），以及最终收敛于ζ≈20-21的稳态窄峰。

关键技术包括：1) 构建可分离核函数K(η,ζ,η',ζ')=k₀k_a(η',ζ')p(η,ζ,η',ζ')，其中突变概率p采用截断高斯分布(ε_η=0.005-0.01)；2) 通过泰勒展开将积分微分方程转化为含漂移项(β)和扩散张量(δ)的类对流-扩散方程；3) 采用守恒量ρ₀=10¹⁸的改进tau-leaping算法避免负值溢出。

主要发现如下：

1. 演化动力学分析：当线性信息系数a_ζ=1时，系统在扩散阶段即表现出显著的ζ向漂移（μ_ζ增速达4倍），证实信息积累可加速手性选择。
2. 随机性阈值效应：在ρ₀>10^{9时，扩散前沿(σ_η~ε_η√t)与局部漂移的竞争导致物种分化，500×500网格下g≥0.002即可保证+1手性优势。}
3. 稳态特征：终态峰位置ζ_max由衰减率γ(η,ζ)中的抑制因子f=1000决定，与k_a(η,ζ)=1+b_ηη²/2+b_ζζ²/2的二次项系数正相关。

讨论指出该模型有三重突破：1) 定量证明极小全局不对称(g~10^-3)通过正反馈放大可导致完全手性纯化；2) 揭示信息积累(a_ζ>0)可改变对称性破缺的时序；3) 为Jeewanu等实验系统提供理论框架。局限在于未考虑分子抑制机制，未来可拓展至竞争性模型。这项工作为理解"耗散适应"(dissipative adaptation)在生命起源中的作用提供了数学基础，对合成生物学中人工原细胞设计具有指导意义。