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Il problema della nucleazione degli ipercicli
HYC-1979Lesson 8: Acid, Amino, Acids
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Un replicatore autocatalitico può partire da una singola copia stampo: una volta presente una molecola, essa può dirigere la propria sintesi e amplificarsi. Un iperciclo è diverso. È un ciclo chiuso di replicatori mutualmente dipendenti: ogni membro viene amplificato o sostenuto attraverso l'attività catalitica di un altro membro, e la chiusura è essenziale. Ciò crea il problema della nucleazione.

Poiché un iperciclo richiede che ogni membro del ciclo sia presente e funzionalmente collegato, un singolo gene mutante—anche se cataliticamente attivo—non può stabilire un iperciclo. Il ciclo rimane aperto. La replicazione o la catalisi isolata non crea la rete di dipendenza reciproca che definisce un iperciclo.

Il problema della nucleazione degli ipercicliUn solo stampo può innescare l'autocatalisi; un iperciclo richiede un insieme chiuso e mutualmente dipendente.Singolo replicatore autocataliticoIperciclo chiusoNuvola combinatoria di mutantiauto-amplificazioneAil numero di copie cresceUna copia innesca l'amplificazionenessuna chiusura o partner necessario✓ Si innesca da una copiaABcatalisi reciprocaciclo chiusoTutti i membri presenti e collegatiun singolo mutante lo lascia apertoLa chiusura è essenziale1-errore1002-errori4.9503-errori161.700mutanti k-errori: Nₖ = C(100, k)molte varianti, ma non un insieme chiusoLo spazio di ricerca esplodeLa nucleazione è di tipo soglia: un insieme chiuso di varianti funzionali deve emergere insieme, non un mutante alla volta.Tutti i membri necessitano di copie iniziali sufficienti affinché il ciclo possa superare la diluizione e il decadimento.

Barriere stocastiche e combinatorie

La nucleazione richiede inoltre quantità iniziali sufficienti di tutti i membri del ciclo. Altrimenti la perdita stocastica, la diluizione e la decomposizione rimuovono i componenti prima che il ciclo chiuso possa crescere più velocemente del decadimento delle sue parti. La transizione da un singolo replicatore a un iperciclo è quindi di tipo soglia o cooperativa: cicli parziali e insiemi incompleti potrebbero non mostrare una crescita iperciclica.

La combinatoria dei mutanti rende l'avvio ancora più difficile. Per una sequenza di lunghezza , il numero di mutanti k-errori è . Questo dà 100 mutanti a un errore, 4.950 mutanti a due errori, 161.700 mutanti a tre errori, e così via. Se un iperciclo deve assemblare n membri compatibili, il numero di insiemi possibili è approssimativamente per . Lo spazio di ricerca per un insieme chiuso e coordinato è quindi enorme, molto più grande della ricerca di un singolo mutante favorevole.

Per queste ragioni, è più plausibile che un iperciclo si nuclei gradualmente da una quasi-specie ricca di GC attraverso mutazione e selezione, piuttosto che essere assemblato de novo da un singolo stampo o da un singolo gene mutante.

Distinzione chiave
L'autocatalisi amplifica un solo stampo; l'organizzazione iperciclica richiede una rete chiusa di stampi mutualmente dipendenti. Un singolo mutante può essere cataliticamente attivo e comunque non riuscire a nucleare un iperciclo.