1
ไฮเปอร์ไซเคิลเชิงตัวเร่งปฏิกิริยาและการคัดเลือกเชิงโมเลกุล
HYC-1979Lesson 2: Catalytic, Which, System
00:00

บทเรียนนี้เริ่มต้นด้วยคำถามสำคัญในทฤษฎีกำเนิดชีวิต: ชุดของโมเลกุลที่จำลองตัวเองได้จะก่อให้เกิด การคัดเลือกเชิงโมเลกุล ได้อย่างไรโดยไม่มีกลไกระดับเซลล์ที่มีอยู่ก่อน คำตอบที่นำเสนอในที่นี้คือ ไฮเปอร์ไซเคิลเชิงตัวเร่งปฏิกิริยา: การเชื่อมโยงแบบวัฏจักรของหน่วยที่จำลองตัวเองได้ โดยการจำลองตัวเองของแต่ละหน่วยได้รับการสนับสนุนเชิงตัวเร่งปฏิกิริยาจากสมาชิกอื่นในวัฏจักร ผลลัพธ์คือการจัดระเบียบตัวเองแบบร่วมหมู่ ไม่ใช่เพียงกลุ่มของตัวจำลองที่ทำงานแยกกัน

แผนภาพเส้นทางของไฮเปอร์ไซเคิลเชิงตัวเร่งปฏิกิริยาสู่การคัดเลือกเชิงโมเลกุลไฮเปอร์ไซเคิลเชิงตัวเร่งปฏิกิริยาแบบปิดนำไปสู่สมการการคัดเลือก การกระจายของกึ่งสปีชีส์ และขีดจำกัดความผิดพลาด โดยมีเงื่อนไขเบื้องต้นสามประการของดาร์วินเป็นกรอบเงื่อนไขเบื้องต้นของดาร์วินเงื่อนไขขอบเขตสำหรับการคัดเลือกเชิงโมเลกุลเมแทบอลิซึมการสืบพันธุ์ด้วยตนเองการกลายพันธุ์ได้1ไฮเปอร์ไซเคิลการเชื่อมโยงเชิงตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวัฏจักรABCDตัวเร่งข้ามชนิดการเติบโตระดับที่สองหรือสูงกว่าการจัดระเบียบตัวเองแบบร่วมหมู่2สมการการคัดเลือกการจัดระเบียบโดยรวมคงที่dxᵢ/dt = xᵢ(Wᵢᵢ − E(t))Wᵢᵢ = ค่าการคัดเลือกE(t) = ผลผลิตส่วนเกินเฉลี่ยWᵢᵢ > E(t): ความถี่เพิ่มขึ้นWᵢᵢ < E(t): ความถี่ลดลงการเปรียบเทียบเชิงสัมพัทธ์กับ E(t)ไม่ใช่การแข่งขันการเติบโตแบบสัมบูรณ์3กึ่งสปีชีส์สมดุลระหว่างการกลายพันธุ์และการคัดเลือกลำดับต้นแบบกลุ่มเมฆของสายพันธุ์กลายที่จัดระเบียบแล้วไวลด์ไทป์ = ศูนย์กลางของกลุ่มเมฆ4ขีดจำกัดความผิดพลาดขีดจำกัดของสารสนเทศอัตราการกลายพันธุ์กระจุกตัวกระจายตัวกึ่งสปีชีส์กระจายตัวออกสารสนเทศที่จำลองได้สูญหายวัฏจักรตัวเร่งปฏิกิริยา → สมการการคัดเลือก → กึ่งสปีชีส์ → ขีดจำกัดความผิดพลาดจากการจัดระเบียบตัวเองเชิงโมเลกุลสู่เพดานสารสนเทศของวิวัฒนาการแบบดาร์วิน

การจัดระเบียบการเติบโตสามรูปแบบ

  • การเติบโตเชิงตัวเร่งปฏิกิริยาธรรมดา: ตัวเร่งปฏิกิริยาภายนอกส่งเสริมการจำลองตัวเองของแม่แบบ แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาเองไม่ได้ถูกสร้างขึ้นโดยวงจรเดียวกัน กฎการเติบโตไม่ใช่การขยายตัวเอง
  • การเติบโตแบบออโตแคตาไลติก: โมเลกุลทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาให้กับการจำลองตัวเองของตนเองหรือของชนิดเดียวกัน อัตราการเติบโตมีพจน์ที่เป็นสัดส่วนกับกำลังหนึ่งของความเข้มข้นของตัวจำลอง ซึ่งเป็นการขยายตัวเองระดับที่หนึ่ง
  • การเติบโตแบบไฮเปอร์ไซคลิก: การจำลองตัวเองถูกจัดเป็นวัฏจักรปิด A → B → C → ... → A เนื่องจากสมาชิกแต่ละตัวถูกสร้างขึ้นภายใต้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากสมาชิกตัวอื่น การเติบโตโดยรวมจึงขึ้นอยู่กับผลคูณของความเข้มข้นอย่างน้อยสองค่า นี่คือเหตุผลที่ไฮเปอร์ไซเคิลเชิงตัวเร่งปฏิกิริยาเป็น ระบบระดับที่สองหรือสูงกว่า.

ความแตกต่างนี้สำคัญ เพราะมีเพียงการจัดระเบียบแบบไฮเปอร์ไซคลิกเท่านั้นที่เชื่อมโยงการจำลองตัวเองเข้ากับพลวัตไม่เชิงเส้นแบบร่วมหมู่ ซึ่งสามารถรองรับการคัดเลือกในระดับโมเลกุลได้

เงื่อนไขเบื้องต้นของดาร์วิน

เพื่อให้เกิดการคัดเลือกเชิงโมเลกุล ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสามประการ:

  • เมแทบอลิซึม: แหล่งพลังงานอิสระและวัสดุเพื่อคงสถานะที่จัดระเบียบแล้วให้ห่างจากสมดุล
  • การสืบพันธุ์ด้วยตนเอง: ความสามารถของหน่วยในการเพิ่มจำนวน เพื่อให้สายพันธุ์ที่ได้เปรียบเพิ่มจำนวนได้
  • การกลายพันธุ์ได้: ความผันแปรที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้ หากขาดสิ่งนี้ก็ไม่มีสิ่งที่รองรับการคัดเลือก

เงื่อนไขเบื้องต้นทั้งสามนี้เป็นเงื่อนไขขอบเขต กล่าวคือ ตัวมันเองไม่ได้ระบุพลวัตเชิงปริมาณ แต่เป็นตัวกำหนดขอบเขตที่คำอธิบายแบบดาร์วินมีความหมาย

สมการการคัดเลือกภายใต้การจัดระเบียบโดยรวมคงที่

เมื่อความเข้มข้นรวมของตัวจำลองคงที่ ความถี่ จะเปลี่ยนไปตามสมการการคัดเลือกรูปแบบ

( Wii − E(t) )

โดยที่ Wii คือ ค่าการคัดเลือก ของตัวจำลองชนิด i ซึ่งรวมอัตราการจำลองตัวเองและการสลายตัวไว้ด้วย E(t) คือ ผลผลิตส่วนเกินเฉลี่ยซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักตามประชากรของค่าการคัดเลือก ชนิดหนึ่งจะมีความถี่เพิ่มขึ้นเมื่อ W_ii มากกว่า E(t) และลดลงเมื่อต่ำกว่า E(t) เงื่อนไขการจัดระเบียบคงที่ทำให้การคัดเลือกเป็นการเปรียบเทียบเชิงสัมพัทธ์ ไม่ใช่การแข่งขันการเติบโตแบบสัมบูรณ์

สมดุลระหว่างการกลายพันธุ์และการคัดเลือกกับกึ่งสปีชีส์

การจำลองตัวเองจริงมีความผิดพลาดได้ง่าย สมดุลระหว่างการกลายพันธุ์และการคัดเลือกไม่ได้ให้ลำดับไวลด์ไทป์เด่นเพียงลำดับเดียว แต่ให้กำเนิด กึ่งสปีชีส์ซึ่งเป็นการกระจายตัวที่จัดระเบียบแล้วของลำดับสายพันธุ์กลายที่มีลำดับต้นแบบเป็นศูนย์กลาง ดังนั้นไวลด์ไทป์จึงเป็นสมาชิกที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดของกลุ่มเมฆของลำดับที่เกี่ยวข้องกัน ไม่ใช่เป้าหมายเดียวของการคัดเลือก การกระจายตัวจะเสถียรเมื่อข้อได้เปรียบในการคัดเลือกของลำดับต้นแบบสมดุลกับการไหลของการกลายพันธุ์ที่เบี่ยงออกจากมัน

ขีดจำกัดความผิดพลาด

กึ่งสปีชีส์จะดำรงอยู่ได้ก็ต่อเมื่ออัตราการกลายพันธุ์ต่อการจำลองตัวเองต่ำพอ เมื่อเกิน ขีดจำกัดความผิดพลาดลำดับต้นแบบจะไม่สามารถถ่ายทอดสารสนเทศได้อย่างเชื่อถือได้ กลุ่มเมฆของสายพันธุ์กลายจะกระจายตัวออก และการกระจายตัวที่จัดระเบียบแล้วจะพังทลายลงสู่สถานะที่สุ่มจากการกลายพันธุ์ สิ่งนี้จำกัดปริมาณสารสนเทศที่ไฮเปอร์ไซเคิลหรือกึ่งสปีชีส์สามารถรักษาไว้ได้อย่าง reproducible แผนภาพเส้นทางตอนต้น—วัฏจักรตัวเร่งปฏิกิริยา → สมการการคัดเลือก → กึ่งสปีชีส์ → ขีดจำกัดความผิดพลาด—จึงเชื่อมโยงการจัดระเบียบตัวเองเชิงโมเลกุลเข้ากับเพดานสารสนเทศพื้นฐานของวิวัฒนาการแบบดาร์วินในระดับโมเลกุล

เงื่อนไขขอบเขต
เมแทบอลิซึม การสืบพันธุ์ด้วยตนเอง และการกลายพันธุ์ได้ เป็นเงื่อนไขเบื้องต้น ไม่ใช่ป้ายกำกับเสริม หากขาดสิ่งใดสิ่งหนึ่ง สมการการคัดเลือกจะสูญเสียการตีความแบบดาร์วินไป แม้ว่าวัฏจักรเคมียังคงดำเนินอยู่