Бръсначът на Окам: Хиперциклите

Медиакафе и блогът "Бръсначът на Окам" продължават рубриката, която публикуваме всеки вторник: предоставяне по лесно четаем, но пълноценен начин на различни теории от математиката, биологията, физиката и други свързани дисциплини. Днешното продължение на  темата за еволюцията и произхода на живота:

Хиперцикъл на Ейген и П. Шустер

Когато говорим за произхода на живота, най-често имаме предвид някакви структури. Но животът е по-скоро процес, отколкото структура, процес на запазване на неравновесното състояние на биологичната система чрез извличане на енергия от околната среда.

Задачата на Манфред Ейген (Институт Макс Планк в Гьотинген) била да намери реален клас химически реакции, чиито компоненти да се държат като дарвиновите видове, т.е. да могат да "подбират" и да еволюционират по посока усложняване на организацията. Именно такива свойства имат някои нелинейни автокаталитични вериги, наречени от него хиперцикли. От темата за реакцията на Белоусов-Жаботински познаваме ефекта от подобни автокаталитични реакции, т.е реакции, при които катализаторите (ферментите) са едновременно и техни промеждутъчни продукти.  

Хиперцикълът е самовъзпроизвеждаща се макромолекулярна система, в която РНК и ферменти действат съгласувано по следния начин: съществува РНК-матрица (Ii); i-тия РНК кодира i-тия фермент Ei (i = 1,2,…,n); ферментите циклично катализират репликацията на РНК, а именно, E1 способства за репликацията на I2 , E2 способства за репликацията I3 , …, En способства за репликацията I1. Освен това, споменатите макромолекули съгласувано осигуряват примитивна транслация, така че информацията, закодирана с РНК- последователности, се транслира в структурата на ферментите, аналогично на обикновения механизъм на транслация в биологичните клетки. Цикличната организация на хиперцикъла осигурява структурната му стабилност, тази структура се изгражда от части, които в някакъв смисъл са подобни на цялото, т.е. имат свойства на фрактал. Схема: La quasispecie di RNA, преведена и обработена: bgchaos

М. Eйген въвежда понятието "конкуренция на хиперциклите", като разбира под това поведение- аналогия на дарвиновия естествен подбор – химически подбор. Да кажем има набор мономерни молекули. При непрекъснатото им топлинно движение винаги има вероятност, че рано или късно някои от тях ще се "зацепят" и ще образуват няколко полимерни молекули. В тази ситуация започва конкурентна борба за "храна" между хиперциклите за молекулите мономери.

Процесът хиперцикъл може да се опише със система нелинейни диференциални уравнения, която била детайлно анализирана от М.Ейген и П. Шустер – Catalytic hypercycle. Анализът показал, че, ако броя на елементите на хиперцикъла n е по-малък или равен на 4, то концентрацията на макромолекулите клони към една равновесна стойност, но при n > 4 системата представлява устойчив пределен цикълатрактор, т. е. с периодично колебание на концентрациите. М.Ейген и П. Шустер разглеждат хиперциклите като предшественици на протоклетките.  

Модел на Boerlijst и Hogeweg

Идеята на Ейген-Шустер има все пак два специални проблема:

  • хиперцикъл с пет или повече члена има поведение на пределен цикъл, от което следва, че големите хиперцикли са неустойчиви защото някой член може да загине.
  • каталитичната поддръжка на друг член от веригата е извънредно чувствителна на външни смущения.

Boerlijst и Hogeweg (Университет в Утрехт) доказват, че пространственото самоструктуриране може да реши тези проблеми. Те добавили дифузно поведение към всеки елемент от ранния модел на хиперцикъла. В този пространствен модел, хиперцикъл с пет или повече члена спонтанно генерира спирални вълни, въртящ се патерн от всички елементи на хиперцикъла. С помощта на въртящите се спирални вълни, глобалното загиване на вида повече не се случва. Спиралните вълни са устойчиви на паразитни намеси. Тъй като молекулите в центъра на спирали генерират цялата спирала, подчинявайки я в радиална посока, е трудно за смущенията да растат към центъра на спиралата.  

Схема: SPIRAL WAVE STRUCTURE, Boerlijst и Hogeweg  

 

Да разгледаме структурата на схемата вляво, където елемента 7, първоначално паразитен става еквивалентен и паралелен на елемент 1. Разделянето на цикличните подструктури се проявява в спирални образувания от молекули с произволно приложена концентрация (схемата вдясно). Виждаме два типа спирали. Едната е формирана от 1 ->2 ->3 ->4 ->5 ->6 ->1 , а другата – от поредицата 7 ->2 ->3 ->4 ->5 ->6 -> 7. Елементите 1 и 7 не могат да съществуват съвместно в една и съща спирала с изключение на случая, където двата типа спирали са в контакт само по перифериите и ясно е разделението на цикличните подструктури. Холандските учени наблюдавали, че повишаването на степента на дифузия спиралните патерни стават с по-високо съпротивление на нахлуващи смущения. Всяка спирала се държи подобно на суперорганизъм, чиято граница се определя от молекулите в периферията. В резултат на самоструктурирането, естествения подбор става на ниво общество, а не личност. Обществото поддържа минимално ниво на цялостност за дълъг период, достатъчен за да задейства естествения подбор.

източник: Хиперциклите

За автора

Вашият коментар