自催化循环的热力学一致性及其在生命起源中的达尔文动力学意义

为解决生命起源中自放大化学系统的识别难题，研究人员深入探究了自催化循环(autocatalytic cores)在反应网络中的计算复杂性和热力学约束。通过证明该问题的NP完全性，研究采用约束求解器实现了核心循环的穷举检测，并揭示热力学一致性会破坏多循环间的兼容性，但单循环在无浓度限制条件下始终可激活。该成果为评估原始汤中自然选择机制的化学基础提供了关键理论支撑。

　　

理解生命起源的化学机制需要阐明复杂系统中自我放大动力学的本质。检测自催化循环(autocatalytic cycles)是这一探索中的关键挑战。研究团队首先通过计算复杂性分析证明该问题属于NP完全类，这为使用约束求解器系统筛查反应网络中的最小自催化核心(autocatalytic cores)提供了理论依据。

引人注目的是，热力学现实性会显著影响多循环系统的实现。虽然孤立的自催化循环在任何热力学参数下都能被激活——只要反应物浓度可自由调节，但两个循环可能因热力学约束而互斥，永远无法同时运行。这种兼容性关系的破坏源于网络级反应动力学必须满足的热力学一致性(thermodynamic consistency)要求。

研究还建立了自催化核心的分组方法，将化学计量需求无冲突的核心归为兼容集。当引入反应物浓度上下限约束时，即使是单循环的实现也会受热力学影响。这些发现不仅完善了复杂化学系统中自催化行为的判定标准，更爲评估原始汤(prebiotic soup)中达尔文动力学(Darwinian dynamics)的涌现机制奠定了理论基础。