Возможный сценарий предбиологической эволюции

Рисунок с сайта best-wallpaper.net

Модель квазивидов
Содержательно модель квазивидов описывает процесс эволюции популяции цепочек РНК. Эволюция приводит к отбору квазивида – такого распределения цепочек РНК, в которое входит как "наилучшая РНК", размножающаяся с максимальной скоростью, так и близкие к ней цепочки, отличающиеся от этой наилучшей мутационными заменами. Формально в этой модели рассматривается эволюция "особей", имеющих цепочки генотипов большой длины L. Процесс эволюционного поиска оптимального генотипа иллюстрируется рис. 1, который показывает динамику числа особей n(ρ), генотипы которых удалены на расстояние ρ от оптимального генотипа (результат компьютерного моделирования). Длина генотипа L = 1000, G – номер поколения, начальное распределение (при G = 0) генотипов случайно.

Рис. 1. Эволюция распределения особей в модели квазивидов, L = 1000. n (ρ) – доля особей, генотип которых удален на расстояние ρ от оптимума. G – номер поколения. Красным показан квазивид (при G = 500) – распределение особей в окрестности оптимума, для которого ρ= 0.

Сделаны оценки скорости и эффективности эволюции для нескольких вариантов модели квазивидов при достаточно большой эффективности отбора. Результат оценок состоит в следующем:
1) характерное число поколений эволюции, обеспечивающей сходимость к квазивиду, порядка длины цепочки генотипа L
2) общее число особей, участвующих в эволюционном процессе, порядка L².

Модель гиперциклов
В модели гиперциклов (рис. 2) к цепочкам РНК добавляются ферменты, которые вместе с цепочками РНК формируют систему кооперативно взаимодействующих макромолекул. РНК и ферменты кооперируются следующим образом: имеются РНК-матрицы (I_i); i-я РНК кодирует i-й фермент E_i (i = 1, 2, ..., n); ферменты циклически катализируют репликацию РНК: E1 способствует репликации I₂ , E₂ способствует репликации I₃, ..., En способствует репликации I₁ . Макромолекулы кооперативно обеспечивают примитивную трансляцию. Циклическая организация гиперцикла обеспечивает его структурную стабильность.

Рис. 2. Структура гиперцикла. Ii – РНК матрицы, Ei – ферменты репликации (i = 1, 2, ..., n).

Модель сайзеров
Модель сайзеров так же, как и модель гиперциклов рассматривает макромолекулярные самовоспроизводящихся системы, содержащие как полинуклеотиды, так и ферменты. Термин сайзер (syser) происходит от слов SYstem of SElf-Reproduction (самовоспроизводящаяся система). Однако сайзеры более сходны с биологическими организмами, чем модель гиперциклов.

Сайзер включает в себя (рис. 3): полинуклеотидную матрицу I , фермент репликации E₁, фермент трансляции E₂ и другие возможные белки E₃, ..., E _N.

Рис. 3. Схема сайзера. I – полинуклеотидная матрица, E_i – ферменты/белки. Круговая стрелка над матрицей иллюстрирует процесс репликации. Стрелки, направленные вертикально вниз, иллюстрируют процессы трансляции. Стрелки от ферментов E₁ и E₂ поясняют, что эти ферменты катализируют процессы репликации и трансляции, соответственно.

Сайзеры – достаточно универсальная модель самовоспроизводящейся системы. В частности, архитектура сайзеров подобна структуре самовоспроизводящихся автоматов, предложенных и исследованных Джоном фон Нейманом на заре современной компьютерной эры.

Сценарий предбиологической эволюции
Рассмотренные модели позволяют представить возможный сценарий возникновения простейших организмов (рис. 4).

Рис. 4. Гипотетический процесс эволюции самовоспроизводящихся макромолекулярных систем.

Суть сценария состоит в следующем.
Квазивиды характеризуют эволюцию простых информационных единиц – РНК-цепочек небольшой длины.
Гиперциклы – это макромолекулярные системы, включающие кооперацию цепочек РНК с ферментами, кодируемыми этими цепочками. Такая кооперация могла бы увеличить количество запоминаемой молекулами РНК наследственной информации.
Сайзеры – молекулярные "конструкции", еще более близкие к самовоспроизводящейся молекулярно-генетической системе живой клетки. Однако и сайзеры еще слишком просты по сравнению с простейшими живыми организмами, поэтому между ними и реальными живыми одноклеточными, по-видимому, должны быть еще некие "протоклетки".