Хиперцикъл на Ейген и П. Шустер

Говорейки за произхода на живота, ние 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 цикъл – атрактор, 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.

Сайзерите на Ратнер

От руският проф. В.А. Ратнер бил предложен друг модел на примитивни самовъзпроизвеждащи се системи – т. н. сайзер. Проведените теоретични изследвания показали, че сайзерът има богат набор от еволюционно-динамични свойства, полезни за изучаване на ранните етапи на биологичната еволюция.

Обща схема на сайзер:	I – полинуклеотидна матрица; Ei – ферменти / белтъчини.
Схема: Sysers
Кръговата стрелка над матрицата илюстрира процес на репликация. Стрелките с направленние вертикално надолу, илюстрират процесите на транслация. Стрелките от ферментите E1 и E2 поясняват, че тези ферменти катализират процесите на транслация и репликация.

Обаче всички изброени по-горе експериментални и теоретични изследвания не давали конструктивно решение на проблема на нематричния синтез на генетичните макромолекули. Също оставал нерешен въпроса за това, кой от двата типа генетични макромолекули (ДНК или РНК) е по-вероятния първичен носител на генетичната информация в примитивните самовъзпроизвеждащите се системи.

Неотдавна бе открита способността на РНК да изпълнява различни каталитични функции, ензими наречени рибозими. От такава първична РНК-система може достатъчно бързо да се сформира в т.н. “РНК-организъм” – предшественик на живата клетка. Такъв РНК организъм вече може постепенно да привлече в своята метаболична мрежа, отначало къси, а после и по-дълги белтъчни вериги. Усъвършенстването на механизма на синтеза на белтъците на основата на РНК-ензими постепенно е довело до формирането на генетичен код и до съвременните механизми за синтез на белтък.

Източник:
La quasispecie di RNA
Catalytic hypercycle.
Hypercycles, V.G. Red’ko
Hypercycles: nonlinear replicator networks, Ricard V. Solé ‘s
Eigen M. and P. Schuster.The Hypercycle: A principle of natural self-organization, Springer, Berlin, 1979
SPIRAL WAVE STRUCTURE IN PRE-BIOTIC EVOLUTION: HYPERCYCLES STABLE AGAINST PARASITES M.C. BOERLIJST and P. HOGEWEG Bioinformatica, Padualaan 8, 3584 CH Utrecht. The Netherlands
Attractors and Spatial Patterns in Hypercycles with Negative Interactions MAARTEN C[ BOERLIJST$ AND PAULINE HOGEWEG
Sysers, V.G. Red’ko