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開放催化鏈的不動點
HYC-1979Lesson 5: Selection, Species, Will
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學習目標:分析定常組織條件下的催化鏈,並推導三元環及 n 元環系統的六個(一般而言為 2n 個)不動點。

定常組織與濃度單純形

在定常組織下,總濃度 c0 保持固定。因此,自然會使用正規化濃度 來描述鏈中的 n 個物種。這些座標滿足 以及 。因此,允許的狀態空間即為濃度單純形 :當 時,它是一個三角形;邊與頂點代表有一個或多個物種不存在的狀態。

開放催化鏈的不動點開放鏈 A → B → C:六個不動點位於濃度單純形 S₃ 的邊界上定常組織:Σ ξᵢ = 1,ξᵢ ≥ 0S₃軌跡 → 邊界ABCABBCCA內部狀態不是不動點開放鏈ABC✕ 沒有閉合連結 C → A不動點結構頂點不動點 · 3A、B、C — 各含一種物種邊不動點 · 3AB、BC、CA — 各含兩種物種內部狀態三種物種皆存在 —不是不動點一般 n 元環鏈2n 個邊界不動點頂點 + 邊平衡點2n 僅計數邊界不動點 —穩定性另行分析。

為何開放鏈沒有內部不動點

不動點的求法是將正規化速率方程式設為零,同時強制滿足 。在開放催化鏈中,最後一個成員不會轉換回第一個:不存在如 C → A 的閉合連結。因此,該鏈無法在所有物種皆滿足 的情況下同時平衡所有物種。全正的內部狀態不是不動點。不動點僅在至少有一個物種不存在時出現,亦即位於 的邊界上。這正是開放鏈無法將其成員整合為共同閉合函數的不動點特徵。

不動點的計數: 與一般 n

  • 當 , there are 六個不動點:三個純頂點狀態(A、B、C)以及三個雙物種邊平衡點(AB、BC、CA)。
  • 對於一般 n,結構計數為 2n 個不動點,對應於頂點與混合邊界狀態。
  • 2n 的計數是不動點的列舉結果。穩定性與動力學特性則另行處理;邊界不動點未必是穩定的。

範例演練:A → B → C

考慮一個三元環開放鏈 A → B → C,且沒有 C → A 的閉合。在定常組織下求解正規化不動點條件,可得到六個邊界不動點:三個頂點 A、B、C,以及 AB、BC、CA 上的三個雙物種邊平衡點。A、B、C 皆存在的中央內部狀態對該開放鏈而言不是不動點。在鏈動力學下,軌跡會往邊界遷移,而鏈的最後一個成員最終可能在一次定勝負的選擇中占據主導地位。

範圍檢查
2n 的結果僅計數邊界不動點。它並不主張每個邊界不動點都是穩定的,也不主張系統在到達邊界前不會發生漲落。