# Hypercycle: หลักการของการจัดระเบียบตนเองตามธรรมชาติ บันทึกการบรรยาย

บทเรียน: 1 · สไลด์: 11

## คู่มือการอ่าน

- [บทเรียนที่ 8 | หัวข้อ: กรด, อะมิโน, กรด](#lecture-lesson-1)

---

<a id="lecture-lesson-1"></a>

## บทเรียนที่ 8 | หัวข้อ: กรด, อะมิโน, กรด

<a id="lecture-page-1"></a>

### กรด, อะมิโน, กรด

*หน้า 1*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** บทเรียนนี้ติดตามหนังสือจากความอุดมสมบูรณ์ในยุคแรกเริ่มของกรดอะมิโนไปสู่การถือกำเนิดของเครื่องมือแปลรหัสชุดแรก เริ่มต้นด้วยแผนภูมิวิวัฒนาการของกรดอะมิโนอะลิฟาติกและผลผลิตพรีไบโอติกแบบมิลเลอร์และข้อมูลอุกกาบาตเมอร์ชิสัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าไกลซีน อะลานีน กรดแอสปาร์ติก และวาลีนมีมากที่สุดในซุปยุคแรกเริ่มและสอดคล้องกับการกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรก จากนั้นเผชิญกับปัญหาการก่อตัวของไฮเปอร์ไซเคิล: เครือข่ายแบบวัฏจักรไม่สามารถเริ่มต้นจากสำเนาแม่แบบเดียวได้เหมือนกับตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติก ดังนั้นจึงต้องค่อยๆ เติบโตออกมาจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC ผ่านการกลายพันธุ์และการคัดเลือก การวิเคราะห์จุดตรึงของไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก (ตารางที่ 17) ได้รับการพัฒนา โดยแยกกรณีการเชื่อมโยงสี่กรณีตามว่าการเพิ่มพูนตนเองหรือการเพิ่มพูนซึ่งกันและกันมีอิทธิพลเหนือกว่า และเกณฑ์นี้ถูกขยายไปยังวัฏจักรสามและ n สมาชิก (ตารางที่ 18) บทเรียนปิดท้ายด้วยคำถามสิบข้อ XVI.1–XVI.9 ซึ่งใช้การจัดเรียงลำดับ tRNA การสังเคราะห์ดีโนโวของ Qβ มิดิวาเรียนต์ สารตั้งต้นเอนไซม์แบบ β-sheet อย่างง่าย และความยืดหยุ่นเชิงโครงรูปของ tRNA เพื่อโต้แย้งว่าอะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์เป็นสาย RNA ที่ทำหน้าที่คู่ และอาจไม่จำเป็นต้องมีซินทีเทสในตอนเริ่มต้น ทำให้รีพลิเคสเป็นเอนไซม์จำเป็นตัวแรก

**ประเด็นการสอน**

- ตีความความอุดมสมบูรณ์ของกรดอะมิโนพรีไบโอติกจากการสังเคราะห์จำลองและข้อมูลอุกกาบาต และเชื่อมโยงลำดับความอุดมสมบูรณ์ ไกลซีน > อะลานีน > กรดแอสปาร์ติก > วาลีน กับการกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรก
- อธิบายว่าทำไมไฮเปอร์ไซเคิลจึงไม่สามารถก่อตัวจากสำเนาแม่แบบเดียว และอธิบายว่ามันสามารถเกิดขึ้นทีละน้อยจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC ผ่านการกลายพันธุ์และการคัดเลือกได้อย่างไร
- ดำเนินการและอ่านผลการวิเคราะห์จุดตรึงของไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก โดยแยกแยะการแข่งขัน การคัดเลือกสมาชิกใดสมาชิกหนึ่ง และการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิกจากค่าคงที่การเชื่อมโยงสัมพัทธ์
- อธิบายว่าเกณฑ์วิวัฒนาการขยายไปยังไฮเปอร์ไซเคิลสามและ n สมาชิกโดยใช้สมมาตรวัฏจักรและเมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตราได้อย่างไร

กรด, อะมิโน, กรด

วัตถุประสงค์ของหน้า

หน้านี้เชื่อมโยงสองธีมเกี่ยวกับกำเนิดชีวิต: คลังกรดอะมิโนพรีไบโอติกและข้อกำหนดทางจลนศาสตร์สำหรับไฮเปอร์ไซเคิลที่จำลองแบบตนเอง นักศึกษาควรสามารถอ่านลำดับความอุดมสมบูรณ์ของกรดอะมิโนจากหลักฐานการจำลองและอุกกาบาต เชื่อมโยงลำดับนั้นกับการกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรก และวิเคราะห์ว่าทำไมเครือข่ายคะตาไลติกแบบวัฏจักรจึงไม่สามารถปรากฏจากสำเนาแม่แบบเดียวได้ แต่ต้องประกอบขึ้นทีละน้อยจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC

ประเด็นการสอน

1. ความอุดมสมบูรณ์ของกรดอะมิโนพรีไบโอติก แผนภูมิวิวัฒนาการของกรดอะมิโนอะลิฟาติก ผลผลิตพรีไบโอติกแบบมิลเลอร์ และข้อมูลอุกกาบาตเมอร์ชิสันล้วน converge ไปสู่ลำดับความอุดมสมบูรณ์ที่ชัดเจน: ไกลซีน > อะลานีน > กรดแอสปาร์ติก > วาลีน สิ่งเหล่านี้เป็นกรดอะมิโนที่เรียบง่ายที่สุดและเกิดขึ้นได้ง่ายที่สุดภายใต้สภาวะพรีไบโอติก ดังนั้นจึงคาดว่าจะมีมากที่สุดในซุปยุคแรกเริ่ม

2. จากความอุดมสมบูรณ์สู่รหัส การกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรกสอดคล้องกับชุดกรดอะมิโนที่อุดมสมบูรณ์เดียวกันนี้ กรดอะมิโนที่มีมากที่สุดคือกลุ่มที่ถูกเข้ารหัส最早的 ซึ่งให้ตรรกะทางเคมีแก่รหัสพันธุกรรม初期 ให้ถือว่านี่เป็นข้อจำกัดและความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง ไม่ใช่ข้อพิสูจน์ที่สมบูรณ์เกี่ยวกับกำเนิดของรหัส

3. ปัญหาการก่อตัวของไฮเปอร์ไซเคิล ตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติกสามารถเริ่มจากสำเนาแม่แบบเดียวได้ แต่ไฮเปอร์ไซเคิลทำไม่ได้: สมาชิกทุกตัวขึ้นอยู่กับตัวอื่น เครือข่ายแบบวัฏจักรจึงไม่สามารถก่อตัวจากแม่แบบเดียวได้ แต่ต้องค่อยๆ เติบโตออกมาจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC ผ่านการกลายพันธุ์และการคัดเลือก เพิ่มการเชื่อมโยงคะตาไลติกจนกระทั่งวัฏจักรสามารถดำรงตนเองได้

4. การวิเคราะห์จุดตรึงของไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก ตารางที่ 17 พัฒนากรณีสองสมาชิก กรณีการเชื่อมโยงสี่กรณีตามมาจากว่าการเพิ่มพูนตนเองหรือการเพิ่มพูนซึ่งกันและกันมีอิทธิพลเหนือกว่า: คู่อาจตกอยู่ในการแข่งขัน สมาชิกตัวหนึ่งอาจถูกคัดเลือกเหนืออีกตัว หรือทั้งสองอาจกลายเป็นเสถียรซึ่งกันและกันในฐานะไฮเปอร์ไซเคิล สิ่งสำคัญคือขนาดสัมพัทธ์ของเงื่อนไขการเพิ่มพูนตนเองเทียบกับการเชื่อมโยงข้าม

5. การขยายไปยังวัฏจักรที่ใหญ่ขึ้น ตารางที่ 18 ขยายเกณฑ์ไปยังไฮเปอร์ไซเคิลสามและ n สมาชิก โดยใช้สมมาตรวัฏจักรและเมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตรา ตรรกะเดียวกันนี้ใช้ได้: ไฮเปอร์ไซเคิลได้เปรียบเมื่อการเชื่อมโยงซึ่งกันและกันรอบวงแข็งแกร่งพอที่จะ surmount การเพิ่มพูนตนเองแบบเห็นแก่ตัว เกณฑ์วิวัฒนาการจึงไม่จำกัดเพียงสองสมาชิก

6. คำถามสิบข้อปิดท้าย XVI.1–XVI.9 คำถามเหล่านี้ใช้การจัดเรียงลำดับ tRNA การสังเคราะห์ดีโนโวของ Qβ มิดิวาเรียนต์ สารตั้งต้นเอนไซม์แบบ β-sheet อย่างง่าย และความยืดหยุ่นเชิงโครงรูปของ tRNA เพื่อโต้แย้งว่าอะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์เป็นสาย RNA ที่ทำหน้าที่คู่ อาจไม่จำเป็นต้องมีซินทีเทสในตอนเริ่มต้น ทำให้รีพลิเคสเป็นเอนไซม์จำเป็นตัวแรก

คำศัพท์สำคัญ

กรดอะมิโนอะลิฟาติก; การสังเคราะห์แบบมิลเลอร์; อุกกาบาตเมอร์ชิสัน; โคดอนในกรอบ GC; ไฮเปอร์ไซเคิล; ควอซีสปีชีส์; ค่าคงที่การเชื่อมโยง; เมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตรา; tRNA อะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์; Qβ มิดิวาเรียนต์; สารตั้งต้นเอนไซม์แบบ β-sheet; รีพลิเคส

ตรวจสอบความเข้าใจ

ทำไมไฮเปอร์ไซเคิลจึงไม่สามารถก่อตัวจากสำเนาแม่แบบเดียว?

เพราะสมาชิกทุกตัวต้องปรากฏเพื่อให้วัฏจักรหมุน แม่แบบเดียวขาดวงคะตาไลติกที่สมบูรณ์ ดังนั้นวัฏจักรต้องถูกสร้างขึ้นทีละน้อยจากควอซีสปีชีส์ผ่านการกลายพันธุ์และการคัดเลือก

ลำดับความอุดมสมบูรณ์ ไกลซีน > อะลานีน > กรดแอสปาร์ติก > วาลีน บ่งชี้อะไรเกี่ยวกับการกำหนดโคดอน初期?

กรดอะมิโนที่มีมากที่สุดในพรีไบโอติกน่าจะได้รับการกำหนดโคดอน最早的 สอดคล้องกับการกำหนดในกรอบ GC ชุดแรก

ในไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก อะไรแยกแยะการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิกจากการคัดเลือกอย่างง่าย?

การทำให้เสถียรซึ่งกันและกันเกิดขึ้นเมื่อการเชื่อมโยงข้ามระหว่างสองสมาชิกมีมากกว่าการเพิ่มพูนตนเอง ดังนั้นจึงไม่มีสมาชิกตัวใดเอาชนะอีกตัวได้อย่างง่ายดาย

กิจกรรมในชั้นเรียนและการเปลี่ยนผ่าน

ให้นักศึกษาวาดภาพร่างไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก ระบุลูกศรการเชื่อมโยง จากนั้นเปลี่ยนลูกศรหนึ่งเป็น self-loop และทำนายว่าระบบจะคัดเลือกสมาชิกตัวหนึ่งหรือทำให้เสถียรเป็นวัฏจักร เมื่อนักศึกษาอธิบายความแตกต่างระหว่างการเพิ่มพูนตนเองและการเพิ่มพูนซึ่งกันและกันได้ ให้ไปยังหน้าถัดไปสำหรับตัวอย่าง การประยุกต์ หรือบทสรุป

<a id="lecture-page-2"></a>

### กรดอะมิโนพรีไบโอติกและเครื่องมือแปลรหัสชุดแรก

*หน้า 2*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** วางกรอบเส้นทางจากความอุดมสมบูรณ์ของกรดอะมิโนยุคแรกเริ่มไปสู่เครื่องมือแปลรหัสชุดแรกและคำถามเกี่ยวกับไฮเปอร์ไซเคิลที่เกิดขึ้น

**ประเด็นการสอน**

- จดจำกรดอะมิโนพรีไบโอติกที่มีมากที่สุดเป็น Gly &gt; Ala &gt; Asp &gt; Val ลำดับเดียวนี้เชื่อมโยงผลผลิตแบบมิลเลอร์ คลังอุกกาบาตเมอร์ชิสัน และการกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรก
- อย่าปฏิบัติต่อไฮเปอร์ไซเคิลเหมือนตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติก ตัวจำลองแบบหนึ่งสามารถก่อตัวจากสำเนาแม่แบบเดียวได้ แต่วัฏจักรทำไม่ได้ เพราะวงจะปิดก็ต่อเมื่อสมาชิกทุกตัวปรากฏพร้อมกัน ดังนั้นเครื่องมือแปลรหัสชุดแรกจึงเกิดขึ้นทีละน้อยจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC
- ในไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก ค่าคงที่การเชื่อมโยงสัมพัทธ์เป็นตัวกำหนดระบอบ จำผลลัพธ์สามอย่าง — การแข่งขัน การคัดเลือกสมาชิกตัวหนึ่ง และการทำให้เสถียรซึ่งกันและกัน — และสังเกตว่ามีเพียงการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันเท่านั้นที่สนับสนุนเครื่องมือที่เชื่อมโยงกับการแปลรหัส

วัตถุประสงค์ของหน้า

วางกรอบเส้นทางจากความอุดมสมบูรณ์ของกรดอะมิโนยุคแรกเริ่มไปสู่เครื่องมือแปลรหัสชุดแรก และแนะนำคำถามเกี่ยวกับไฮเปอร์ไซเคิลที่เส้นทางนี้ก่อให้เกิดขึ้น

ประเด็นการสอน

1. จากเคมีพรีไบโอติกสู่อักษรชุดแรก การทดลองสังเคราะห์แบบมิลเลอร์และคลังอุกกาบาตเมอร์ชิสันล้วน converge ไปสู่กลุ่มกรดอะมิโนอะลิฟาติกที่จำกัดมากกว่าส่วนผสมที่สม่ำเสมอ ผลผลิตมีความเบี่ยงเบนสูง โดยไกลซีนมีมากที่สุด ตามด้วยอะลานีน กรดแอสปาร์ติก และวาลีน ความเบี่ยงเบนนี้คือวัตถุดิบที่อักษรพันธุกรรมชุดแรกสามารถดึงออกมาได้ ดังนั้นข้อมูลพรีไบโอติกจึงทำหน้าที่เป็นข้อจำกัดว่ากรดอะมิโนใดสามารถ populate การเข้ารหัส初期ได้

2. ลำดับความอุดมสมบูรณ์และโคดอนในกรอบ GC ชุดแรก ลำดับ Gly > Ala > Asp > Val ถูกใช้เพื่อจัดลำดับการกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรก โคดอนที่สร้างจาก G และ C จับคู่กับกรดอะมิโนที่เรียบง่ายที่สุดและมีมากที่สุดก่อน สอดคล้องความอุดมสมบูรณ์ทางเคมีกับรูปแบบการเข้ารหัส初期 ตามการตีความนี้ ระบบการเข้ารหัส最早的อุดมด้วย GC และการกำหนดของมันเป็นไปตามความพร้อมมากกว่าโอกาส

3. ปัญหาการก่อตัวของไฮเปอร์ไซเคิล ไฮเปอร์ไซเคิลทำงานแตกต่างจากตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติกเดียว ตัวจำลองแบบหนึ่งสามารถเริ่มจากสำเนาแม่แบบเดียวได้ในหลักการ

เครือข่ายแบบวัฏจักรทำไม่ได้ เพราะวงจะปิดก็ต่อเมื่อสมาชิกทุกตัวปรากฏพร้อมกัน ดังนั้นเครื่องมือแปลรหัสชุดแรกจึงไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์ระดับโมเลกุลที่แยกโดด มันต้องถูกประกอบขึ้นทีละน้อยจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC โดยการกลายพันธุ์และการคัดเลือกเพิ่มและปรับปรุงองค์ประกอบจนกระทั่งวัฏจักรปิด

4. จุดตรึงของไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก การวิเคราะห์จุดตรึงแสดงว่าผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับค่าคงที่การเชื่อมโยงสัมพัทธ์ที่เชื่อมสมาชิก ระบอบเชิงคุณภาพสามอย่างปรากฏ: การแข่งขันอย่างชัดเจน ซึ่งสมาชิกตัวหนึ่งเอาชนะอีกตัว;

การคัดเลือกสมาชิกตัวใดตัวหนึ่งขึ้นอยู่กับเงื่อนไขเริ่มต้น;

และการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิก ซึ่งสมาชิกแต่ละตัวเสริมสร้างอีกตัว มีเพียงการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันเท่านั้นที่สนับสนุนเครื่องมือที่เชื่อมโยงกับการแปลรหัส เพราะนั่นคือกรณีที่การจำลองแบบ RNA และการสังเคราะห์เปปไทด์เสริมซึ่งกันและกันแทนที่จะแข่งขันกัน

5. การแปลรหัสเป็นเกณฑ์ ไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์ที่เกิดขึ้นทันที เครื่องมือแปลรหัสชุดแรกเห็นได้ดีที่สุดเป็นเกณฑ์ในระบบไฮเปอร์ไซคลิกที่เชื่อมโยงการจำลองแบบ RNA การสังเคราะห์เปปไทด์ และการปิดวงคะตาไลติก คำถามนำทางคือ "XI. How to Start Translation?

เริ่มจากความอุดมสมบูรณ์ทางเคมีและไปถึงวัฏจักรที่เสริมตนเองซึ่งเข้าถึงได้ผ่านการกลายพันธุ์ การคัดเลือก และการเชื่อมโยงที่เพียงพอ

คำศัพท์สำคัญ

กรดอะมิโนอะลิฟาติก; การสังเคราะห์แบบมิลเลอร์; อุกกาบาตเมอร์ชิสัน; การกำหนดโคดอนในกรอบ GC; ควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC; ไฮเปอร์ไซเคิล; ปัญหาการก่อตัว; ค่าคงที่การเชื่อมโยง; การทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิก; การปิดวงคะตาไลติก

สัญญาณภาพ

แผนที่เส้นทางวิ่งจากบนลงล่าง: ความอุดมสมบูรณ์ของกรดอะมิโนพรีไบโอติก (การสังเคราะห์แบบมิลเลอร์ อุกกาบาตเมอร์ชิสัน) จำกัดกรดอะมิโนที่มีมากที่สุดตามความอุดมสมบูรณ์ (Gly > Ala > Asp > Val) ซึ่งจัดลำดับการกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรก;

การกลายพันธุ์และการคัดเลือกนำไปสู่ควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC; ปัญหาการก่อตัวเป็นอุปสรรคต่อการเริ่มจากสำเนาแม่แบบเดียว;

ค่าคงที่การเชื่อมโยงผลิตระบอบจุดตรึงสองสมาชิก (การแข่งขัน การคัดเลือกสมาชิกตัวหนึ่ง การทำให้เสถียรซึ่งกันและกัน);

การเพิ่มพูนซึ่งกันและกันให้ผลเป็นเครื่องมือแปลรหัสชุดแรกในที่สุด รวมการจำลองแบบ RNA การสังเคราะห์เปปไทด์ และการปิดวงคะตาไลติก

คำแนะนำการฝึกฝน

คำถามตรวจสอบห้าข้อทดสอบความแตกต่างหลักเดียวกัน สำหรับคำถามเกี่ยวกับมิลเลอร์และเมอร์ชิสัน จุดประสงค์คือเพื่อจำกัดว่ากรดอะมิโนใดสามารถ populate อักษรพันธุกรรมชุดแรก ไม่ใช่เพื่อระบุอายุอุกกาบาตหรือวัดเอนไซม์สมัยใหม่ ลำดับความอุดมสมบูรณ์คือ Gly > Ala > Asp > Val ไฮเปอร์ไซเคิลไม่สามารถก่อตัวจากสำเนาแม่แบบเดียวได้เพราะการปิดวัฏจักรต้องมีสมาชิกทุกตัวพร้อมกัน ค่าคงที่การเชื่อมโยงสัมพัทธ์ตัดสินระหว่างการแข่งขัน การคัดเลือกสมาชิกตัวหนึ่ง และการทำให้เสถียรซึ่งกันและกัน สำหรับเครื่องมือที่เชื่อมโยงกับการแปลรหัส ระบอบที่เกี่ยวข้องคือการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิก เพราะมันช่วยให้การจำลองแบบ RNA และการสังเคราะห์เปปไทด์เสริมซึ่งกันและกัน ในกรณีศึกษา จัดลำดับโคดอนในกรอบ GC ตามความอุดมสมบูรณ์ (Gly > Ala > Asp > Val) สังเกตว่าระบบการเข้ารหัส最早的อุดมด้วย GC และถูกหล่อหลอมโดยความพร้อม และต้องการให้แบบจำลองบรรลุการทำให้เสถียรซึ่งกันและกัน;

การเชื่อมโยงที่อ่อนหรือไม่สมมาตรจะตกอยู่ในการแข่งขันหรือการคัดเลือกด้านเดียว ซึ่งสูญเสียพันธมิตร

ตรวจสอบความเข้าใจ

ให้นักศึกษาระบุในหนึ่งประโยคว่าทำไมตัวจำลองแบบเดียวสามารถก่อตัวได้แต่ไฮเปอร์ไซเคิลทำไม่ได้ จากนั้นตั้งชื่อระบอบการเชื่อมโยงที่สนับสนุนเครื่องมือแปลรหัสและอธิบายว่าเกิดอะไรขึ้นในอีกสองระบอบ

การเปลี่ยนผ่าน

เมื่อปัญหาการก่อตัวและกรณีสองสมาชิกได้รับการestablish แล้ว ขั้นตอนถัดไปคือการขยายการวิเคราะห์จุดตรึงไปยังวัฏจักรสามสมาชิกและใหญ่กว่า ซึ่งสมมาตรวัฏจักรและเมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตรากำหนดเกณฑ์วิวัฒนาการ

<a id="lecture-page-3"></a>

### กรดอะมิโนอะลิฟาติกในสภาพแวดล้อมยุคแรกเริ่ม

*หน้า 3*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** แสดงว่ากรดอะมิโนอะลิฟาติกใดมีมากที่สุดในการสังเคราะห์พรีไบโอติกและตัวอย่างอุกกาบาต และทำไมความอุดมสมบูรณ์ของมันจึงสำคัญ

**ประเด็นการสอน**

- ผลผลิตพรีไบโอติกสูงหรือความอุดมสมบูรณ์ในอุกกาบาตสูงเพิ่มความน่าจะเป็นที่กรดอะมิโนนั้นปรากฏในยุคแรก แต่มันไม่ได้แสดงว่ามันถูกรวมเข้าเป็นอันแรกเสมอ แยกข้อกล่าวอ้างเกี่ยวกับสภาพแวดล้อม ('มันอยู่ที่นั่นในปริมาณมาก') ออกจากข้อกล่าวอ้างเกี่ยวกับการเข้ารหัส ('มันได้รับการกำหนดโคดอนเร็ว') เสมอ และตรวจสอบว่าหลักฐานชิ้นใดสนับสนุนแต่ละข้อ
- จำลำดับ ไกลซีน > อะลานีน > กรดแอสปาร์ติก > วาลีน ไว้ สี่โมเลกุลเดียวกันนี้ปรากฏซ้ำในการสังเคราะห์แบบมิลเลอร์และสารสกัดเมอร์ชิสัน และทั้งสี่มีขนาดเล็กและโครงสร้างเรียบง่าย ใช้ความเรียบง่ายเชิงโครงสร้าง ไม่ใช่ความสำคัญทางการเผาผลาญสมัยใหม่ เป็นตัวช่วยจำว่าทำไม它們จึงเป็นผู้สมัครยุคแรกที่แข็งแกร่ง
- แผนภูมิวิวัฒนาการของกรดอะมิโนอะลิฟาติกจัดกลุ่มโมเลกุลเหล่านี้ตามเคมีของสายข้างและความพร้อมในพรีไบโอติก ไม่ใช่ตามลำดับโคดอน เมื่อคุณพบการจัดประเภทกรดอะมิโนใดๆ ในบทเรียนนี้ ก่อนอื่นให้ระบุว่าเกณฑ์ใดนิยามมัน การเข้าใจผิดว่าการจัดกลุ่มตามเคมีเป็นการจัดกลุ่มตามการเข้ารหัสเป็นแหล่งที่มาที่พบบ่อยที่สุดของการอนุมานผิดเกี่ยวกับรหัสพันธุกรรม

วัตถุประสงค์ของหน้า

establish ว่าคลังกรดอะมิโนยุคแรกเริ่มไม่ใช่ตัวอย่างสุ่มของชุดสมัยใหม่ แหล่งกำเนิดไม่มีชีวิตสองแหล่งที่เป็นอิสระต่อกัน converge ไปสู่รายการสั้นเดียวกัน — ไกลซีน อะลานีน กรดแอสปาร์ติก และวาลีน — และผู้เรียนควรสามารถบอกได้ว่าทำไมการ converge นี้จึงสำคัญต่อเครื่องมือแปลรหัสชุดแรก และมันไม่ได้พิสูจน์อะไรเกี่ยวกับการกำหนดโคดอน

ประเด็นการสอน

1. เส้นหลักฐานสองเส้นที่เป็นอิสระต่อกัน การทดลองปล่อยประกายไฟแบบมิลเลอร์บนส่วนผสมก๊าซรีดิวซ์ผลิตไกลซีนและอะลานีนในปริมาณมากที่สุด ตามด้วยกรดแอสปาร์ติกและวาลีน สารสกัดจากอุกกาบาตคาร์บอนaceous เมอร์ชิสันมีชุดที่โดดเด่นเดียวกัน เพราะเส้นทางห้องปฏิบัติการภายในและเส้นทางส่งมอบภายนอกไม่เกี่ยวข้องกันทางกายภาพ ความสอดคล้องของ它們จึงเป็นลายเซ็นของเคมีไม่มีชีวิตมากกว่าความบังเอิญหรือการปนเปื้อน

2. ทำไมสี่ตัวนี้ พวกมันมีขนาดเล็กและโครงสร้างเรียบง่าย — ไกลซีนไม่มีสายข้างนอกจากไฮโดรเจน อะลานีนและวาลีนมีสายอัลคิลไม่มีขั้วสั้น กรดแอสปาร์ติกมีสายที่มีหมู่คาร์บอกซิลเป็นกรดสั้น — และไม่มีตัวใดต้องการเส้นทางชีวสังเคราะห์เฉพาะเพื่อปรากฏในส่วนผสมพรีไบโอติก ลำดับความอุดมสมบูรณ์ที่ต้องจำคือ ไกลซีน > อะลานีน > กรดแอสปาร์ติก > วาลีน ใช้ความเรียบง่ายเชิงโครงสร้าง ไม่ใช่ความสำคัญทางการเผาผลาญสมัยใหม่ เป็นตัวช่วยจำ

3. ความอุดมสมบูรณ์สำคัญเพราะการเริ่มต้นถูกจำกัดโดยสับสเตรต กรดอะมิโนที่จัดหาในปริมาณมากจะพบได้บ่อยกว่ามากและจึงมีความน่าจะเป็นสูงกว่าที่จะถูก recruit โดยสายอะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์ยุคแรก ความพร้อมเป็นเงื่อนไขก่อนสำหรับการ recruit

4. ข้อจำกัดไม่ใช่การกำหนด การจัดหาจากสภาพแวดล้อมจำกัดกลุ่มผู้สมัคร;

มันไม่ได้กำหนดลำดับที่โคดอนถูกกำหนด การจับคู่ยังสะท้อนความสัมพันธ์ RNA–กรดอะมิโน เคมีโคดอน–แอนติโคดอน และการขยายหรือการกำหนดใหม่ของรหัสในภายหลัง ความสอดคล้องกับการกำหนดในกรอบ GC ชุดแรกเป็นข้อบ่งชี้ ไม่ใช่ข้อสรุป

5. ระวังเกณฑ์การจัดประเภท แผนภูมิวิวัฒนาการอะลิฟาติกจัดกลุ่มโมเลกุลเหล่านี้ตามเคมีของสายข้างและความพร้อมในพรีไบโอติก ไม่ใช่ตามลำดับโคดอน การสับสนการจัดกลุ่มตามเคมีกับการจัดกลุ่มตามการเข้ารหัสเป็นเส้นทางที่พบบ่อยที่สุดสู่การอนุมานผิดเกี่ยวกับรหัสพันธุกรรม

คำศัพท์สำคัญ

กรดอะมิโนอะลิฟาติก; การสังเคราะห์พรีไบโอติกแบบมิลเลอร์; อุกกาบาตเมอร์ชิสัน; ถูกจำกัดโดยสับสเตรต; กลุ่มผู้สมัคร; การกำหนดโคดอนในกรอบ GC; ความอุดมสมบูรณ์เป็นความน่าจะเป็นก่อน

สัญญาณภาพ

สำหรับกรดอะมิโนสี่ตัวแต่ละตัว แท่งสีน้ำเงินสำหรับผลผลิตแบบมิลเลอร์และแท่งสีเหลืองอำพันสำหรับความอุดมสมบูรณ์ในเมอร์ชิสัน ในทั้งสองกรณีเรียงจากมากไปน้อยจากไกลซีนถึงวาลีน ชี้ให้เห็นว่าลำดับ ไม่ใช่ความสูงที่แน่นอน คือข้อความ แผนภูมิวิวัฒนาการแทรกแยกออกเป็นกลุ่มอัลคิลไม่มีขั้ว (Gly, Ala, Val) และกลุ่มสายข้างเป็นกรด (Asp) เสริมว่าเกณฑ์คือเคมีและความพร้อม

คำแนะนำการฝึกฝนและแนวทางการตอบ

คำถามตรวจสอบข้อแรกถามว่าชุดใดมีมากที่สุดในทั้งสองแหล่ง — ไกลซีน อะลานีน กรดแอสปาร์ติก และวาลีน ชี้นำผู้เรียนออกจากสายข้างอะโรมาติกหรือเบสขนาดใหญ่ ซึ่งมีน้อยหรือไม่มีในบริบทนี้ และไปสู่โมเลกุลที่เกิดขึ้นได้โดยไม่มีเอนไซม์

คำถามตรวจสอบข้อที่สองถามว่าทำไมความอุดมสมบูรณ์จึงสำคัญ: เพราะเครื่องมือถูกจำกัดโดยสับสเตรต ดังนั้นกรดอะมิโนที่มีพร้อมสูงมีแนวโน้มที่จะพบและถูก recruit มากกว่า ความอุดมสมบูรณ์ควบคุมความพร้อม ไม่ใช่การจับคู่โคดอน;

ปฏิเสธตัวลวงที่ว่าความอุดมสมบูรณ์ "กำหนดโดยตรง" โคดอน

คำถามตรวจสอบข้อที่สามถามว่าความสอดคล้องมิลเลอร์–เมอร์ชิสันแสดงให้เห็นอะไร: กรดอะมิโนยุคแรกที่โดดเด่นสามารถถูกสร้างขึ้นได้โดยไม่มีชีวิตบนโลกและถูกส่งมาจากอวกาศ ดังนั้นชีววิทยาไม่จำเป็นในการอธิบายคลัง มันไม่ได้แสดงว่าชีวิตถือกำเนิดบนวัตถุต้นกำเนิดเมอร์ชิสันหรืออุกกาบาตนำ tRNA ที่ทำงานได้

คำถามตรวจสอบข้อที่สี่ถามความสัมพันธ์เชิงตรรกะ: ความอุดมสมบูรณ์จำกัดกลุ่มผู้สมัครแต่ไม่ได้กำหนดลำดับโคดอนด้วยตัวเอง เสริมความแตกต่างระหว่างข้อจำกัดและการกำหนด

คำถามตรวจสอบข้อที่ห้าคือรายการถ่ายโอน: กรดอะมิโนที่หายาก เป็นศูนย์กลางทางการเผาผลาญ และต้องการเส้นทางที่เร่งโดยเอนไซม์ยาวน่าจะถูก recruit ในภายหลัง ความสำคัญทางการเผาผลาญในปัจจุบันไม่ได้บ่งชี้ความพร้อมในยุคแรก

ทีมควรเลือกชุด A ซึ่งสนับสนุนโดยแหล่งกำเนิดไม่มีชีวิตสองแหล่งที่เป็นอิสระต่อกัน;

ข้อโต้แย้งของเพื่อนร่วมงานที่ว่า "สายข้างที่ใหญ่กว่าทำเคมีมากกว่า" ไม่เกี่ยวข้องเพราะขนาดสายข้างไม่ได้บอกอะไรเกี่ยวกับความพร้อมในพรีไบโอติก สำหรับคำถามที่สอง การโดดเด่นของชุด A ไม่ได้พิสูจน์ลำดับการกำหนดที่แน่นอน — หลักฐานสนับสนุนจะต้องมาจากการใช้โคดอนเปรียบเทียบ การจัดเรียงลำดับ tRNA และการทดลองความสัมพันธ์ทางเคมีโดยตรง ไม่ใช่จากข้อมูลความอุดมสมบูรณ์เพียงอย่างเดียว

ตรวจสอบความเข้าใจ

ให้ผู้เรียนคนหนึ่งกล่าวในหนึ่งประโยคถึงความแตกต่างระหว่างข้อกล่าวอ้างเกี่ยวกับสภาพแวดล้อม ("มันอยู่ที่นั่นในปริมาณมาก") และข้อกล่าวอ้างเกี่ยวกับการเข้ารหัส ("มันได้รับการกำหนดโคดอนเร็ว") และระบุว่าหลักฐานชิ้นใดในหน้านี้สนับสนุนแต่ละข้อ

การเปลี่ยนผ่าน

เมื่อกลุ่มสับสเตรตถูกจำกัดโดยความอุดมสมบูรณ์ ขั้นตอนถัดไปคือถามว่าเครือข่ายที่เสริมตนเองของโมเลกุลเช่นนี้และพันธมิตร RNA ของ它们จะเริ่มต้นได้อย่างไร — ปัญหาการก่อตัวของไฮเปอร์ไซเคิล

<a id="lecture-page-4"></a>

### ลำดับความอุดมสมบูรณ์และการกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรก

*หน้า 4*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** เชื่อมโยงลำดับความอุดมสมบูรณ์ในพรีไบโอติกกับโคดอนในกรอบ GC ชุดแรกและข้อโต้แย้งสำหรับการเริ่มต้นที่อุดมด้วย GC

**ประเด็นการสอน**

- จดจำลำดับความอุดมสมบูรณ์ในพรีไบโอติกเป็น Gly > Ala > Asp > Val บันไดนี้สะท้อนการกำหนดโคดอนในกรอบ GC ชุดแรกโดยตรง: 5′-GGC (Gly) และ 5′-GCC (Ala) โดย Asp และ Val เข้ามาในภายหลัง
- ข้อโต้แย้งสี่ข้อคือ: (1) ความเสถียรของอะแดปเตอร์–เมสเซนเจอร์ (2) ความเที่ยงตรงของการจำลองแบบ (3) การอ่านแบบไม่มีเครื่องหมายคั่นที่ต้องการรูปแบบ GC ไม่สมมาตร และ (4) ความสอดคล้องกับความอุดมสมบูรณ์ของกรดอะมิโนพรีไบโอติก ใช้ตัวช่วยจำ 'SAFE': Stability, Accuracy of replication, Frame read-off, and Elemental abundance
- ปฏิบัติต่อการจับคู่ความอุดมสมบูรณ์กับโคดอนเป็นการอนุมานแบบมีเงื่อนไข มันสมมติว่าความอุดมสมบูรณ์เท่ากับความพร้อมเชิงหน้าที่ในยุคแรก และว่าแม่แบบที่อุดมด้วย GC ครอบงำยุคการเข้ารหัสแรก คำอธิบายทางเลือกเช่นการกำหนดแบบสุ่มหรือความสัมพันธ์โคดอน–กรดอะมิโนโดยตรงยังเป็นไปได้และต้องการการทดสอบที่เป็นอิสระ

วัตถุประสงค์ของหน้า

เชื่อมโยงลำดับความอุดมสมบูรณ์ในพรีไบโอติกกับโคดอนในกรอบ GC ชุดแรกและอธิบายข้อโต้แย้งสำหรับการเริ่มต้นที่อุดมด้วย GC

ประเด็นการสอน

ความอุดมสมบูรณ์ของกรดอะมิโนพรีไบโอติกเป็นไปตามลำดับที่สอดคล้องกัน: ไกลซีน > อะลานีน > กรดแอสปาร์ติก > วาลีน ลำดับนี้มาจากการจำลองการสังเคราะห์แบบมิลเลอร์และการวิเคราะห์อุกกาบาตเมอร์ชิสัน

โคดอนในกรอบ GC สองตัวแรกถูกกำหนดให้กับกรดอะมิโนสองตัวที่มีมากที่สุด: 5′-GGC → ไกลซีน และ 5′-GCC → อะลานีน การกำหนดเหล่านี้วางส่วนบนของรายการความอุดมสมบูรณ์ที่จุดเริ่มต้นของรูปแบบ GC ไม่สมมาตร สอดคล้องกับระบอบการจำลองแบบที่อุดมด้วย GC

ข้อโต้แย้งสี่ข้อสนับสนุนการเริ่มต้นด้วยโคดอนที่อุดมด้วย GC: (1) ความเสถียรของปฏิสัมพันธ์อะแดปเตอร์–เมสเซนเจอร์ (2) ความเที่ยงตรงของการจำลองแบบ (3) การอ่านแบบไม่มีเครื่องหมายคั่นในการแปลรหัสที่ต้องการรูปแบบ GC ไม่สมมาตร และ (4) ความสอดคล้องกับกรดอะมิโนพรีไบโอติกที่มีมากที่สุด ใช้ตัวช่วยจำ SAFE: Stability, Accuracy of replication, Frame read-off, Elemental abundance

โคดอนสองตัวแรก 5′-GGC และ 5′-GCC เป็นส่วนเติมเต็มกันเมื่อจัดเรียงแบบแอนติพาราเลล เสริมบทบาทศูนย์กลางของ它們

Asp และ Val ปรากฏถัดไปในลำดับความอุดมสมบูรณ์และมีความเกี่ยวข้องเมื่อรหัสขยายจากกรอบ GC น้อยที่สุดไปสู่อักษรหลัก—ไม่ใช่ในฐานะการกำหนด初期ในกรอบ GC เข้มงวด

ปฏิบัติต่อการจับคู่ความอุดมสมบูรณ์กับโคดอนเป็นการอนุมานแบบมีเงื่อนไข: มันสมมติว่าความอุดมสมบูรณ์สัมพันธ์กับความพร้อมเชิงหน้าที่ในยุคแรก และว่าแม่แบบที่อุดมด้วย GC ครอบงำยุคการเข้ารหัสแรก คำอธิบายทางเลือกเช่นการกำหนดโคดอนแบบสุ่มหรือความสัมพันธ์ทางเคมีโดยตรงยังเป็นไปได้เชิงตรรกะและต้องการการทดสอบเชิงทดลองหรือไฟโลเจเนติกที่เป็นอิสระ

สัญญาณภาพ

แผนภาพเชื่อมโยงความอุดมสมบูรณ์ในพรีไบโอติกกับการกำหนดโคดอน: แท่งแนวนอนแสดง Gly (สูงสุด), Ala, Asp และ Val ในลำดับจากมากไปน้อย; ตารางโคดอนเน้น 5′-GGC (Gly) และ 5′-GCC (Ala);

ลูกศรเส้นประบ่งชี้การขยายในภายหลังสำหรับ Asp และ Val บันทึกเน้นว่า 5′-GGC และ 5′-GCC เป็นส่วนเติมเต็มกันเมื่อจัดเรียงแบบแอนติพาราเลล

คำแนะนำการฝึกฝน

คำตอบที่ถูกคือ Gly > Ala > Asp > Val ข้อเสนอแนะ: ไกลซีนมีมากที่สุด ตามด้วยอะลานีน กรดแอสปาร์ติก วาลีน

5′-GCC ถูกกำหนดให้กับอะลานีน

คำตอบที่ถูกคือ "Requirement for a single-stranded RNA genome" ข้อโต้แย้งสี่ข้อคือความเสถียรของอะแดปเตอร์–เมสเซนเจอร์ ความเที่ยงตรงของการจำลองแบบ การอ่านแบบไม่มีเครื่องหมายคั่น และความสอดคล้องกับความอุดมสมบูรณ์

Q4 (ข้อโต้แย้งที่ต้องการรูปแบบ GC ไม่สมมาตร): คำตอบที่ถูกคือการอ่านแบบไม่มีเครื่องหมายคั่นในการแปลรหัส ข้อโต้แย้งอื่นสนับสนุนปริมาณ GC แต่ไม่ได้ต้องการความไม่สมมาตรโดยเฉพาะ

คำตอบที่ถูกคือ "Abundance correlates with early functional availability and GC-rich templates dominated the first coding epoch"

อธิบายว่ากรดอะมิโนสองตัวที่มีมากที่สุดจะถูก recruit ก่อนในระบอบที่อุดมด้วย GC สอดคล้อง 5′-GGC กับ Gly และ 5′-GCC กับ Ala สมมติฐานทางเลือกคือความสัมพันธ์ทางเคมีโดยตรง;

สามารถทดสอบได้โดยการวัดความสัมพันธ์การจับระหว่างโคดอนในกรอบ GC กับกรดอะมิโนในหลอดทดลอง หรือโดยการสร้างความสัมพันธ์การจดจำ tRNA–โคดอนของบรรพบุรุษใหม่ทางไฟโลเจเนติก

ตรวจสอบความเข้าใจ

ให้นักศึกษาแสดงรายการข้อโต้แย้งสี่ข้อสำหรับการเริ่มต้นที่อุดมด้วย GC และอธิบายว่าทำไมการจับคู่ความอุดมสมบูรณ์กับโคดอนจึงเป็นการอนุมานแบบมีเงื่อนไขมากกว่าข้อเท็จจริงที่พิสูจน์แล้ว

การเปลี่ยนผ่าน

ตรรกะความอุดมสมบูรณ์กับโคดอนนี้เตรียมพื้นฐานสำหรับการเข้าใจว่าเครื่องมือแปลรหัสสามารถเกิดขึ้นจากระบอบการจำลองแบบที่อุดมด้วย GC ได้อย่างไร

<a id="lecture-page-5"></a>

### ปัญหาการก่อตัวของไฮเปอร์ไซเคิล

*หน้า 5*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** อธิบายว่าทำไมไฮเปอร์ไซเคิลจึงไม่สามารถเริ่มจากสำเนาแม่แบบเดียว และคอมบิเนเทอริกส์ของมิวแทนต์ทำให้การเริ่มต้นซับซ้อนขึ้นอย่างไร

**ประเด็นการสอน**

- ออโตคะตาไลซิสกับองค์กรไฮเปอร์ไซคลิก: ตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติกเดียวสามารถเริ่มจากสำเนาแม่แบบเดียวได้เพราะมันสั่งการสังเคราะห์ของตนเอง อย่างไรก็ตาม ไฮเปอร์ไซเคิลคือวัฏจักรปิดของตัวจำลองแบบที่พึ่งพากัน
- สมาชิกแต่ละตัวถูกขยายหรือสนับสนุนโดยอีกตัว และการปิดวงเป็นสิ่งจำเป็น ยีนมิวแทนต์เดียว—แม้จะเป็นตัวที่มีกิจกรรมคะตาไลติก—ไม่สามารถสร้างไฮเปอร์ไซเคิลได้เพราะวัฏจักรยังคงเปิดอยู่ การจำลองแบบหรือคะตาไลซิสที่แยกโดดไม่ได้สร้างเครือข่ายการพึ่งพาซึ่งกันและกันที่นิยามไฮเปอร์ไซเคิล อุปสรรคเชิงสโทแคสติกและคอมบิเนเทอริก: การก่อตัวต้องการปริมาณเริ่มต้นที่เพียงพอของสมาชิกวัฏจักรทุกตัว มิฉะนั้นการสูญเสียเชิงสโทแคสติก การเจือจาง และการสลายตัวจะกำจัดองค์ประกอบก่อนที่วัฏจักรปิดจะเติบโตเร็วกว่าการสลายตัวของส่วนประกอบของมัน การเปลี่ยนจากตัวจำลองแบบเดียวเป็นไฮเปอร์ไซเคิลเป็นแบบเกณฑ์หรือแบบร่วมมือ: วัฏจักรบางส่วนและชุดที่ไม่สมบูรณ์อาจไม่แสดงการเติบโตแบบไฮเปอร์ไซคลิก สำหรับลำดับความยาว N = 100 จำนวนมิวแทนต์แบบ k-error คือ N_k = C(100, k) ซึ่งให้มิวแทนต์หนึ่ง-error 100 ตัว มิวแทนต์สอง-error 4,950 ตัว มิวแทนต์สาม-error 161,700 ตัว และอื่นๆ ถ้าไฮเปอร์ไซเคิลต้องประกอบสมาชิกที่เข้ากันได้ n ตัว จำนวนชุดที่เป็นไปได้ประมาณ (N_k + n − 1 choose n) ≈ N_k^n / n! สำหรับ n ≪ N_k พื้นที่การค้นหาสำหรับชุดปิดที่ประสานกันจึงมหาศาล—ใหญ่กว่าการค้นหามิวแทนต์ที่ดีหนึ่งตัวมาก ไฮเปอร์ไซเคิลน่าจะก่อตัวทีละน้อยจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC ผ่านการกลายพันธุ์และการคัดเลือกมากกว่าการถูกประกอบดีโนโวจากแม่แบบเดียวหรือยีนมิวแทนต์เดียว

**คำศัพท์สำคัญ**

- ตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติก, ไฮเปอร์ไซเคิล, ปัญหาการก่อตัว, การปิดวง, การพึ่งพาซึ่งกันและกัน, เมฆมิวแทนต์คอมบิเนเทอริก, มิวแทนต์แบบ k-error, การก่อตัวแบบเกณฑ์

> **สัญญาณภาพ**
>
> - แผนภาพเปรียบเทียบสามแผง: (1) ตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติก A เดียวที่มี self-loop (2) ไฮเปอร์ไซเคิลปิดของ A และ B ที่มีลูกศรซึ่งกันและกัน และ (3) เมฆมิวแทนต์คอมบิเนเทอริกที่มีจำนวน 100, 4,950, 161,700 ใช้แผงกลางเพื่อเน้นการปิดวงและการพึ่งพาซึ่งกันและกัน และแผงขวาเพื่อแสดงว่าพื้นที่การค้นหาระเบิดอย่างไรกับ k

> **คำแนะนำการฝึกฝน**
>
> - แบบทดสอบทดสอบแนวคิดเหล่านี้ Q1: คำตอบที่ถูกคือไฮเปอร์ไซเคิลต้องการชุดที่ปิดและพึ่งพาซึ่งกันและกันของตัวแปร
> - การค้นหาแบบคอมบิเนเทอริกสำหรับชุดเช่นนั้นใหญ่กว่าการหามิวแทนต์หนึ่งตัวมาก Q2: คุณลักษณะที่ต้องการคือวัฏจักรปิดของตัวจำลองแบบ โดยแต่ละตัวถูกขยายหรือสนับสนุนโดยสมาชิกอีกตัว Q3: ออโตคะตาไลซิสต้องการเพียงสำเนาแม่แบบเดียว ในขณะที่ไฮเปอร์ไซเคิลต้องการสมาชิกทุกตัวปรากฏและเชื่อมโยงเชิงหน้าที่ Q4: มิวแทนต์สอง-error 4,950 ตัวบ่งชี้กลุ่มตัวแปรขนาดใหญ่ แต่ไม่ใช่ชุดปิด
> - ต้องประสานตัวแปรที่เข้ากันได้หลายตัว และจำนวนชุดที่เป็นไปได้ปรับขนาดเป็น N_k^n / n! Q5: สมาชิกแต่ละตัวต้องปรากฏในปริมาณเริ่มต้นที่เพียงพอเพื่อให้การเติบโตของวัฏจักรปิดเร็วกว่าการสลายตัวขององค์ประกอบก่อนที่การสูญเสียเชิงสโทแคสติกจะเกิดขึ้น ในกรณีศึกษา มิวแทนต์ A เพียงตัวเดียวไม่สามารถก่อตัวไฮเปอร์ไซเคิลได้เพราะมันไม่ได้สร้างวัฏจักรกับสมาชิกอีกตัว (การปิดวงและการพึ่งพาซึ่งกันและกันหายไป) จำนวนมิวแทนต์สอง-error คือ C(100, 2) = 4,950
> - ถ้าต้องการตัวแปรที่เข้ากันได้สองตัว จำนวนคู่ที่เป็นไปได้ประมาณ 4,950^2 / 2! ≈ 12.25 ล้าน ดังนั้นการหาคู่ที่ประสานกันจึงมีความน่าจะเป็นต่ำกว่าการหามิวแทนต์หนึ่งตัวมาก

**ตรวจสอบความเข้าใจ**

ให้นักศึกษาอธิบายความแตกต่างระหว่างออโตคะตาไลซิสกับไฮเปอร์ไซเคิล ทำไมมิวแทนต์ที่มีกิจกรรมคะตาไลติกตัวเดียวจึงไม่สามารถก่อตัวไฮเปอร์ไซเคิลได้ และค่า C(100,2) = 4,950 บ่งชี้อะไรเกี่ยวกับความยากในการประกอบชุดปิด ฟังการอ้างอิงถึงการปิดวง การพึ่งพาซึ่งกันและกัน และชุดที่ประสานกันเทียบกับมิวแทนต์เดียว

> **การเปลี่ยนผ่าน**
>
> เมื่อปัญหาการก่อตัวได้รับการestablish ขั้นตอนถัดไปคือการตรวจสอบว่าไฮเปอร์ไซเคิลสามารถเกิดขึ้นทีละน้อยจากควอซีสปีชีส์ได้อย่างไร และการวิเคราะห์จุดตรึงจำแนกไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิกอย่างไร

<a id="lecture-page-6"></a>

### การเกิดขึ้นจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC

*หน้า 6*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** อธิบายว่าไฮเปอร์ไซเคิลสามารถเติบโตทีละน้อยออกมาจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC ผ่านการกลายพันธุ์และการคัดเลือกได้อย่างไร

**ประเด็นการสอน**

- โมเลกุลหนึ่งที่ทำแม่แบบการคัดลอกของตนเองเป็นออโตคะตาไลติกและสามารถเริ่มจากสำเนาเดียวได้ ไฮเปอร์ไซเคิลต้องการแม่แบบที่แตกต่างกันอย่างน้อยสองตัวซึ่งผลิตภัณฑ์ของ它们คะตาไลซ์ซึ่งกันและกัน ใช้การทดสอบนี้: ถ้าการลบสมาชิกตัวใดตัวหนึ่งป้องกันไม่ให้วงสร้างตัวเองใหม่ขึ้นมา แสดงว่าคุณกำลังดูไฮเปอร์ไซเคิล ไม่ใช่ตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติก
- แหล่งกักเก็บที่อุดมด้วย GC &#8594; การเชื่อมโยงทางเดียวที่อ่อน &#8594; การเชื่อมโยงซึ่งกันและกัน &#8594; การปิดวง การรู้ลำดับช่วยให้คุณทำนายลายเซ็นเชิงทดลองตามลำดับ: ความหลากหลายจากมิวแทนต์ที่กว้างก่อน จากนั้นผลผลิตที่สัมพันธ์กันระหว่างตัวแปรเฉพาะ จากนั้นการสูญเสียการพึ่งพาลำดับมาสเตอร์ใดๆ เดียว
- ในควอซีสปีชีส์ เมฆมิวแทนต์เกาะกลุ่มรอบลำดับที่โดดเด่นหนึ่งลำดับและการคัดเลือกกระทำต่ออัตราการจำลองแบบของแต่ละตัว ในองค์กรไฮเปอร์ไซคลิก สมาชิกมีความแตกต่างกันและการคัดเลือกกระทำต่อการเชื่อมโยงของ它們 ดังนั้นชุดจึงเติบโตแบบซูเปอร์แอดดิทีฟ การแยกการกระจายสองแบบนี้ออกจากกันในใจช่วยป้องกันข้อผิดพลาดส่วนใหญ่ในหัวข้อนี้

วัตถุประสงค์ของหน้า

อธิบายว่าทำไมไฮเปอร์ไซเคิลจึงไม่สามารถก่อตัวจากสำเนาแม่แบบเดียว และอธิบายว่าวัฏจักรเช่นนี้สามารถเติบโตทีละน้อยออกมาจากควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC ผ่านการกลายพันธุ์และการคัดเลือกได้อย่างไร

ลำดับการสอน

แผนภาพของสไลด์วางเส้นทางสามขั้นตอน ทำตามลำดับ เพราะลำดับเองสามารถสอบได้

1. แหล่งกักเก็บที่อุดมด้วย GC การกลายพันธุ์กระจายเมฆของตัวแปรที่เกี่ยวข้องรอบลำดับมาสเตอร์ GC ที่โดดเด่น และคู่ GC ทำให้โครงสร้างพับของ它們เสถียร

2. การเชื่อมโยง การเชื่อมโยงทางเดียวที่อ่อนสะสมระหว่างตัวแปร (v1–v4) แต่การเชื่อมต่อหนึ่งยังหายไป — ช่องว่างเส้นประ เครือข่ายเปิด ยังไม่ปิด

3. การปิดวงไฮเปอร์ไซคลิก คะตาไลซิสซึ่งกันและกันปรากฏขึ้น และสมาชิกแต่ละตัวคะตาไลซ์ตัวถัดไป ก่อตัวเป็นวัฏจักรไฮเปอร์ไซคลิกปิด (I1–I4)

ประเด็นการสอน

ออโตคะตาไลซิสไม่ใช่ไฮเปอร์ไซเคิล สายเดี่ยวที่ทำแม่แบบการคัดลอกของตนเองนั้นพึ่งพาตนเองได้: โมเลกุลและผลิตภัณฑ์มีฟังก์ชันเดียวกัน ดังนั้นมันจึงเติบโตแบบเอกซ์โพเนนเชียลจากสำเนาเดียว ไฮเปอร์ไซเคิลแตกต่างในชนิด — วงปิดของการสนับสนุนคะตาไลติกที่สมาชิก i เพิ่มการจำลองแบบของ j, j เพิ่ม k และอื่นๆ จนกระทั่งวงกลับมาที่ i ลบสมาชิกตัวใดตัวหนึ่งออกและสมาชิกที่เหลือจะไม่สร้างมันขึ้นมาใหม่ สำเนาแรกของสมาชิกตัวใดตัวหนึ่งจึงเป็นทางตัน: มันไม่มีพันธมิตรที่เป็นส่วนเติมเต็มและไม่มีวัฏจักรปิดที่สามารถขยายมันได้อย่างเลือกสรร การวินิจฉัยที่มีประโยชน์สำหรับผู้เรียน: ถ้าการลบสมาชิกตัวใดตัวหนึ่งป้องกันไม่ให้วงสร้างตัวเองใหม่ขึ้นมา แสดงว่าคุณกำลังดูไฮเปอร์ไซเคิล ไม่ใช่ตัวจำลองแบบออโตคะตาไลติก

ควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC จัดหาวัตถุดิบ ควอซีสปีชีส์ไม่ใช่ลำดับเดียวแต่เป็นเมฆที่เชื่อมโยงกันโดยการกลายพันธุ์ซึ่งกระจายรอบลำดับที่โดดเด่นคล้ายมาสเตอร์ ในกลุ่มที่อุดมด้วย GC เมฆมีของสำรองมากกว่าปกติ เพราะคู่ G–C เพิ่มเติมแต่ละคู่มีส่วนร่วมพันธะไฮโดรเจนที่สาม: ก้านที่อุดมด้วย GC หลอมที่อุณหภูมิสูงกว่า พับได้เชื่อถือได้มากกว่า และทนต่อการกลายพันธุ์แบบจุดมากกว่าก่อนที่โครงสร้างทุติยภูมิจะพัง แหล่งกักเก็บจึงส่งมอบสองสิ่งที่ปัญหาการก่อตัวต้องการพร้อมกัน — ความหลากหลายในท้องถิ่นสูงของตัวแปรที่มี loop ก้าน และเรขาคณิตพื้นผิวที่เปลี่ยนแปลง และความเสถียรเชิงโครงสร้างเพียงพอที่ตัวแปรยังคงทำงานได้นานพอที่จะถูกทดสอบโดยการคัดเลือก

การกลายพันธุ์สำรวจการเชื่อมโยง;

การคัดเลือกเก็บรักษามัน การแทนที่แบบจุดสามารถเปลี่ยนรูปแฮร์พิน เปิดเผยพื้นผิวการจับใหม่ หรือ recruit ศูนย์คะตาไลติกที่ขึ้นอยู่กับไอออนโลหะ จึงเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์การเชื่อมโยงที่อ่อนซึ่งอธิบายว่าสมาชิกหนึ่งช่วยการจำลองแบบหรือคะตาไลซิสของอีกตัวได้แรงเพียงใด ตัวแปรส่วนใหญ่เป็นกลางหรือเป็นอันตราย บางครั้งตัวหนึ่งช่วยแม่แบบเพื่อนบ้านอย่างอ่อน และผลกระทบถูกขยายเพราะมันถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้ — ตัวแปรถูกคัดลอกและยังคงช่วยต่อไป การคัดเลือกในระยะนี้ไม่ได้กระทำต่ออัตราการจำลองแบบของแม่แบบเองเท่านั้น;

มันกระทำต่อการเชื่อมโยง ตัวแปรถูกเสริมเมื่อผลสุทธิของปฏิสัมพันธ์ของมันเพิ่มการผลิตแม่แบบอื่นในกลุ่ม และคู่ซึ่งกันและกันได้รับความโปรดปรานเป็นสองเท่าเพราะพันธมิตรแต่ละตัวเพิ่มผลผลิตของอีกตัว

จากควอซีสปีชีส์สู่องค์กรไฮเปอร์ไซคลิก เมื่อการเชื่อมโยงสะสม การกระจายของมิวแทนต์เปลี่ยนรูปร่าง ความหลากหลายหยุดกระจายรอบลำดับมาสเตอร์เดียวและควบแน่นไปสู่กลุ่มย่อยเล็กๆ ของแม่แบบที่คะตาไลซ์ซึ่งกันและกัน การปิดวงเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อมี links เพียงพอที่เครือข่ายจะปิดมากกว่าเปิดหรือแยกสาขา ก่อนการปิดวง ensemble ทำงานเป็นควอซีสปีชีส์ที่มีตัวแปรที่สัมพันธ์กันบางตัว;

หลังการปิดวง การเติบโตเป็นแบบร่วมมือและซูเปอร์แอดดิทีฟ — วัฏจักรคูณเป็นหน่วยเดียว และเพราะสมาชิกแต่ละตัวป้อนตัวถัดไป ชุดที่เชื่อมโยงกันสามารถเติบโตเกินควอซีสปีชีส์ที่แยกโดดซึ่งแข่งขันสำหรับมอนอเมอร์และรีพลิเคสเดียวกัน ไม่ต้องมีจีโนมหลายยีนที่สร้างไว้ล่วงหน้า: วัฏจักรปรากฏโดยการ recruit และการรวมยีนมิวแทนต์ที่มีอยู่แล้วในแหล่งกักเก็บที่อุดมด้วย GC

เมื่อเส้นทางล้มเหลว มีข้อจำกัดสามอย่างที่สำคัญ ความเที่ยงตรงของการจำลองแบบต้องอยู่เหนือเกณฑ์ข้อผิดพลาด มิฉะนั้นแหล่งกักเก็บจะละลายเป็นเมฆที่กระจัดกระจายซึ่งไม่มีตัวแปรใดคงอยู่ได้นานพอที่จะสร้าง link ความเข้ากันได้เชิงหน้าที่สำคัญ: สมาชิกต้องไม่รบกวนการพับหรือคะตาไลซิสของกันและกันอย่างทำลาย มิฉะนั้น links ที่สะสมจะหักล้างแทนที่จะเสริม ภาระปรสิตต้องต่ำ: แม่แบบที่เห็นแก่ตัวซึ่งถูกจำลองแบบอย่างมีประสิทธิภาพด้วยวัฏจักรที่เกิดขึ้น แต่ไม่คะตาไลซ์อะไรตอบแทน ระบายทรัพยากรที่ใช้ร่วมกันและสามารถ destabilize เครือข่ายก่อนที่มันจะปิด

ภาพร่างที่ทำเป็นตัวอย่าง

ในกลุ่ม RNA ที่อุดมด้วย GC ลำดับที่โดดเด่นคล้าย GGC/GCC และมิวแทนต์ของมันก่อตัวเป็นควอซีสปีชีส์ มิวแทนต์ตัวหนึ่งช่วยการจำลองแบบของลำดับเพื่อนบ้านอย่างอ่อน และการคัดเลือก preserves พันธมิตรทั้งสองเพราะผลผลิตร่วมของ它們เกินกว่าที่ตัวใดตัวหนึ่งทำได้ตามลำพัง การกลายพันธุ์เพิ่มเติมสร้างการช่วยซึ่งกันและกัน สาขาที่หายไปถูกเติมเต็ม และวัฏจักรสองสมาชิกหรือใหญ่กว่าปิด เมื่อปิดแล้ว การเติบโตแบบไฮเปอร์ไซคลิกเอาชนะควอซีสปีชีส์ที่แยกโดดซึ่งให้กำเนิดมัน

คำแนะนำการฝึกฝนและแนวทางการตอบ

คำถามที่ 1 (ทำไมไม่มีการก่อตัวจากแม่แบบเดียว): การให้เหตุผลที่ถูกคือลำดับเดียวเข้ารหัสเพียงการจำลองแบบของตัวเอง ไม่ใช่พันธมิตรคะตาไลติกที่เป็นส่วนเติมเต็มที่ต้องการในการปิดวง; ไม่มีวงปิดที่จะถูกคัดเลือก

คำถามที่ 2 (ควอซีสปีชีส์ที่อุดมด้วย GC มีส่วนอะไร): แหล่งกักเก็บของตัวแปรที่เกี่ยวข้องเชื่อมโยงโดยการกลายพันธุ์ บวกการจับคู่เบสที่เสถียรซึ่งปกป้องโครงสร้างพับ — ความหลากหลายจัดหาพื้นผิวปฏิสัมพันธ์ที่เป็นผู้สมัคร คู่ GC จัดหาความทนทาน

คำถามที่ 3 (การคัดเลือกกระทำต่ออะไร): ต่อการเชื่อมโยง — ตัวแปรที่เพิ่มการจำลองแบบหรือคะตาไลซิสของเพื่อนบ้านถูกเสริม ไม่เพียงตัวจำลองแบบตนเองที่เร็วที่สุด คู่ซึ่งกันและกันได้รับความโปรดปรานเพราะพันธมิตรแต่ละตัวเพิ่มผลผลิตของอีกตัว

แหล่งกักเก็บที่อุดมด้วย GC → การเชื่อมโยงที่อ่อน → การเชื่อมโยงซึ่งกันและกัน → การปิดวงไฮเปอร์ไซคลิก ถามผู้เรียนว่าอะไรต้องมีก่อน; ถ้าไม่มีแหล่งกักเก็บจากมิวแทนต์ก็ไม่มีอะไรจะเชื่อมโยง และการปิดวงเป็นสิ่งสุดท้าย

คำถามที่ 5 (เงื่อนไขที่ destabilize): ภาระสูงของแม่แบบปรสิตที่ถูกจำลองแบบโดยวัฏจักรที่เกิดขึ้นแต่ไม่คะตาไลซ์อะไรตอบแทน ความเที่ยงตรง ความเข้ากันได้ และภาระปรสิตคือข้อจำกัดสามอย่าง;

มีเพียงตัวเลือกนี้ที่ลบการสนับสนุนออกจากเครือข่าย

เบาะแสกรณีศึกษา

ในสถานการณ์เครื่องปฏิกรณ์แบบไหล ภาพดีพซีเควนซิ่งที่การถ่ายโอน 30 ครั้งบันทึกระยะควอซีสปีชีส์ (มาสเตอร์ที่อุดมด้วย GC ที่โดดเด่นบวกเมฆตัวแปรที่เชื่อมโยงโดยการกลายพันธุ์) การพึ่งพาซึ่งกันและกัน — X และ Y ต่างก็พังทลายเมื่ออีกตัวถูกลบ — บวกผลผลิตร่วมแบบซูเปอร์แอดดิทีฟ เป็นเครื่องหมายของการเริ่มต้นองค์กรไฮเปอร์ไซคลิก ทั้ง X และ Y เพียงตัวเดียวไม่สามารถก่อตัววัฏจักรได้เพราะวงต้องการคะตาไลซิสซึ่งกันและกันและตัวแปรเดียวจัดหาเพียงส่วนหนึ่งของฟังก์ชันปิด ตัวแปร Z เป็นปรสิต: คาดว่า Z จะเพิ่มขึ้นในขณะที่ X และ Y ลดลง โดยผลผลิตรวมตอนแรกไม่เปลี่ยนแปลงหรือสูงขึ้นแล้วจึงลดลง ปริมาณที่วัดได้: วิถีความถี่ของ X, Y และ Z ตลอดการ passage และผลผลิตร่วมหรือระดับการพึ่งพาซึ่งกันและกันของ X และ Y

ตรวจสอบความเข้าใจ

ให้ผู้เรียนกล่าวความแตกต่างในหนึ่งประโยค: ในควอซีสปีชีส์ การคัดเลือกกระทำต่ออัตราการจำลองแบบของแต่ละตัวรอบลำดับที่โดดเด่นหนึ่งลำดับ;

ในองค์กรไฮเปอร์ไซคลิก การคัดเลือกกระทำต่อการเชื่อมโยงระหว่างสมาชิกที่แตกต่างกัน ดังนั้นชุดจึงเติบโตแบบซูเปอร์แอดดิทีฟ จากนั้นให้พวกเขาระบุชื่อสามขั้นตอนตามลำดับและขั้นตอนเดียวที่ปิดวง

การเปลี่ยนผ่าน

เมื่อผู้เรียนสามารถบอกได้ว่าทำไมแม่แบบเดียวจึงไม่สามารถเริ่มวัฏจักรได้ และสามารถจัดลำดับขั้นตอนจากแหล่งกักเก็บถึงการปิดวง ให้ไปยังการวิเคราะห์จุดตรึงของไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก ซึ่งความแตกต่างเดียวกันระหว่างการเพิ่มพูนตนเองและการเพิ่มพูนซึ่งกันและกันถูกแสดงในรูปแบบค่าสัมประสิทธิ์อัตรา

<a id="lecture-page-7"></a>

### การวิเคราะห์จุดตรึงของไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก

*หน้า 7*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** หาและตีความจุดตรึงของไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิกโดยใช้ข้อจำกัด x1 + x2 = c

**ประเด็นการสอน**

- ที่จุดตรึงภายใน ตั้งวงเล็บแต่ละวงเป็นศูนย์: k<sub>1</sub> x<sub>2</sub>* − Φ = 0 และ k<sub>2</sub> x<sub>1</sub>* − Φ = 0 การกำจัด Φ ให้ k<sub>1</sub> x<sub>2</sub>* = k<sub>2</sub> x<sub>1</sub>* อย่าลืมเงื่อนไขความเป็นบวก x<sub>1</sub>*, x<sub>2</sub>* &gt; 0
- ใช้ x<sub>1</sub>*/x<sub>2</sub>* = k<sub>1</sub>/k<sub>2</sub> เพื่อหาอัตราส่วนสมดุล จากนั้นแปลงเป็นความเข้มข้นสัมบูรณ์ด้วย x<sub>1</sub>* + x<sub>2</sub>* = c สำหรับ c = 1 และ k<sub>1</sub> = 2k<sub>2</sub> อัตราส่วนคือ 2 ดังนั้น x<sub>1</sub>* = 2/3 และ x<sub>2</sub>* = 1/3
- จุดตรึงขอบเขต (c,0) และ (0,c) แทนการสูญพันธุ์ของสมาชิกหนึ่งตัว จุดตรึงภายในคือสถานะการอยู่ร่วมกัน การคำนวณสมมติจลนศาสตร์แบบ mass-action ค่าคงที่อัตราเป็นบวก และไม่มีปรสิต การกลายพันธุ์ หรือการบังคับที่ขึ้นกับเวลา

> **วัตถุประสงค์ของหน้า**
>
> ใช้ข้อจำกัดการจัดระเบียบคงที่ x1 + x2 = c เพื่อหาและตีความจุดตรึงการอยู่ร่วมกันของไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก
>
> ลำดับการสอน
>
> ความเข้มข้นสองตัว x1 และ x2 อยู่บนซิมเพล็กซ์ x1 + x2 = c โดยความเข้มข้นรวม c ถูกคงที่โดยฟลักซ์การเจือจาง Φ
>
> x1′ = x1(k1 x2 − Φ) และ x2′ = x2(k2 x1 − Φ)
>
> 3. หาจุดตรึงภายในโดยกำหนดให้ x1′ = x2′ = 0 โดยมี x1*, x2* > 0
>
> 4. ตีความอัตราส่วนจุดตรึงและนำไปใช้กับตัวอย่างเชิงตัวเลข
>
> 5. เปรียบเทียบจุดการอยู่ร่วมกันภายในกับจุดการสูญพันธุ์ขอบเขตและระบุสมมติฐานของแบบจำลอง
>
> ประเด็นการสอน
>
> การจัดระเบียบคงที่ตรึงความเข้มข้นรวม ดังนั้นปริภูมิสถานะคือส่วนของเส้นตรง x1 + x2 = c ตัวแปร x1 และ x2 คือความเข้มข้นของสมาชิกไฮเปอร์ไซเคิลสองตัว และ Φ คือพจน์การเจือจางร่วมที่รักษา c ให้คงที่
>
> ที่จุดตรึงภายใน วงเล็บทั้งสองต้องหายไป: k1 x2* − Φ = 0 และ k2 x1* − Φ = 0 การกำจัด Φ ให้เงื่อนไขสมดุล k1 x2* = k2 x1* ซึ่งกล่าวว่าพจน์การผลิตคะตาไลติกสองพจน์สมดุลกับฟลักซ์การเจือจางเดียวกัน อย่าลืมเงื่อนไขความเป็นบวก x1*, x2* > 0;
>
> มันคือสิ่งที่ทำให้จุดตรึงเป็นสถานะการอยู่ร่วมกันภายในมากกว่าสถานะขอบเขต
>
> การรวม k1 x2* = k2 x1* กับ x1* + x2* = c ให้สมดุลการอยู่ร่วมกันที่ไม่ซ้ำ: x1* = c k1/(k1 + k2) และ x2* = c k2/(k1 + k2) อัตราส่วนสมดุลคือ x1*/x2* = k1/k2 ภายใต้อนุสัญญาอัตรานี้ ค่าคงที่คะตาไลติกที่มีประสิทธิผลมากกว่าจะได้รับส่วนแบ่งสมดุลมากกว่า
>
> ถ้า c = 1 และ k1 = 2k2 อัตราส่วนคือ 2 ดังนั้น x1* = 2/3 และ x2* = 1/3 เทียบเท่า ตั้ง x2 = c − x1 และแก้ x1(c − x1)[k1 − x1(k1 + k2)/c] = 0 สำหรับรากที่ไม่เป็นศูนย์ ซึ่งให้จุดตรึงภายในเดียวกันและเสริมว่าพีชคณิตสอดคล้องกันไม่ว่าจะเข้าถึงผ่านอัตราส่วนบวกข้อจำกัดหรือผ่านการแทนที่โดยตรง
>
> จุดตรึงขอบเขตคือ (c, 0) และ (0, c) พวกมันแทนการสูญพันธุ์ของสมาชิกหนึ่งตัว ไม่ใช่การอยู่ร่วมกัน จุดตรึงภายในคือสถานะการอยู่ร่วมกันที่เกี่ยวข้องกับไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก การคำนวณสมมติค่าคงที่อัตราเป็นบวก จลนศาสตร์แบบ mass-action ระบบผสมดี และไม่มีการกลายพันธุ์ ปรสิต หรือการบังคับที่ขึ้นกับเวลา
>
> โครงสร้างของสมการเชิงอนุพันธ์แนะนำการแปลงแบบ affine ของระบบพิกัด x เป็นตัวแปรแปลง yi การแปลงนี้แยกข้อจำกัดผลรวมคงที่ออกจากพลวัตความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ จุดประสงค์คือเพื่อ clarify ความสมดุล k1 x2* = k2 x1* และการแบ่งเป็น x1* และ x2*;
>
> มันไม่ได้ทำให้ระบบเป็นสโทแคสติก ลบ Φ หรือบังคับ k1 = k2
>
> คำศัพท์สำคัญ
>
> จุดตรึงภายใน, สมดุลการอยู่ร่วมกัน, จุดตรึงขอบเขต, ซิมเพล็กซ์ความเข้มข้น, ฟลักซ์การเจือจาง Φ, อัตราส่วนสมดุล, จลนศาสตร์แบบ mass-action
>
> สัญญาณภาพ
>
> ซิมเพล็กซ์ x1 + x2 = c ถูกวาดเป็นส่วนของเส้นตรงที่มีจุดปลาย (c, 0) และ (0, c) จุดตรึงภายใน x* อยู่บนส่วนนี้ โดยมีการฉายเส้นประไปยัง x1* และ x2* ลูกศรบนเส้นเฟสบ่งชี้จุดตรึงที่เสถียรที่ x1* ใช้ภาพเพื่อแสดงว่าจุดภายในคือสถานะการอยู่ร่วมกัน ในขณะที่จุดปลายคือสถานะการสูญพันธุ์
>
> คำแนะนำการฝึกฝน
>
> ข้อจำกัดที่ถูกคือ x1 + x2 = c การจัดระเบียบคงที่รักษาความเข้มข้นรวมให้คงที่ ดังนั้นความเข้มข้นสองตัวรวมกันเป็น c
>
> เงื่อนไขที่ถูกคือ k1 x2* = k2 x1* ที่จุดตรึงภายในวงเล็บทั้งสองหายไป ดังนั้นพจน์การผลิตสองพจน์สมดุลกับฟลักซ์การเจือจางเดียวกัน Φ
>
> จุดตรึงที่ถูกคือ x1* = c k1/(k1 + k2) และ x2* = c k2/(k1 + k2) แก้ความสัมพันธ์เชิงเส้นสองอัน; k ที่มากกว่าได้ส่วนแบ่งมากกว่าภายใต้อนุสัญญานี้
>
> ค่าคงที่คะตาไลติกที่มีประสิทธิผลมากกว่าสอดคล้องกับส่วนแบ่งสมดุลที่มากกว่า เพราะอัตราส่วนปรับขนาดโดยตรงเป็น k1/k2
>
> การแปลงแบบ affine แยกข้อจำกัดผลรวมคงที่ออกจากพลวัตความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ มันเป็นการจัดระเบียบทางพีชคณิต ไม่ใช่การแปลงเป็นสโทแคสติก ไม่ใช่การกำจัด Φ และไม่ใช่เงื่อนไขที่บังคับ k1 = k2
>
> ด้วย c = 1.0, k1 = 4.0 และ k2 = 1.0, x1* = 0.8, x2* = 0.2 และ x1*/x2* = 4 ถ้า k2 เพิ่มเป็น 4.0 ในขณะที่ k1 ยังคงเป็น 4.0 จุดตรึงภายในเคลื่อนไปที่จุดกึ่งกลาง: x1* = 0.5 และ x2* = 0.5 ดังนั้นอัตราส่วนกลายเป็น 1 จุดตรึงขอบเขตยังคงเป็น (c, 0) และ (0, c);
>
> มีเพียงจุดการอยู่ร่วมกันภายในที่เลื่อน
>
> ตรวจสอบความเข้าใจ
>
> ให้นักศึกษาหา x1*/x2* = k1/k2 จากเงื่อนไขสมดุลแล้วใช้ x1* + x2* = c เพื่อหาความเข้มข้นสัมบูรณ์ ถามว่าเกิดอะไรขึ้นกับจุดการอยู่ร่วมกันเมื่อค่าคงที่คะตาไลติกตัวหนึ่งใหญ่กว่าอีกตัวมาก ถามว่าทำไมจุดตรึงภายในคือการอยู่ร่วมกันในขณะที่จุดตรึงขอบเขตแทนการสูญพันธุ์ ฟังบทบาทของ Φ และเงื่อนไขความเป็นบวก x1*, x2* > 0
>
> การเปลี่ยนผ่าน
>
> แม่แบบจุดตรึงนี้เตรียมทางสำหรับการวิเคราะห์เสถียรภาพและการคัดเลือกของไฮเปอร์ไซเคิล แนวคิดสมดุลเดียวกันจะถูกขยายไปยังวัฏจักรสามและ n สมาชิก ซึ่งสมมาตรวัฏจักรและเมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตรากำหนดว่าการอยู่ร่วมกัน การคัดเลือกสมาชิกตัวหนึ่ง หรือการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิกจะมีอิทธิพลเหนือกว่า

<a id="lecture-page-8"></a>

### ระบอบการเชื่อมโยงในไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก

*หน้า 8*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** แยกแยะการแข่งขัน การคัดเลือกสมาชิกตัวหนึ่ง และการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิกจากค่าคงที่การเชื่อมโยงสัมพัทธ์

**ประเด็นการสอน**

- อย่าเข้าหาพีชคณิตหรือการอินทิเกรตก่อน ถามเพียง: k<sub>21</sub> &gt; k<sub>11</sub> หรือไม่ และ k<sub>12</sub> &gt; k<sub>22</sub> หรือไม่ การรวมกันสี่แบบของใช่และไม่ map แบบหนึ่งต่อหนึ่งกับระบอบของตารางที่ 17 ดังนั้นการจัดประเภทใช้การเปรียบเทียบสองครั้งและส่วนที่เหลือของการวิเคราะห์ตามมาจากคำตอบ
- ใน kᵢⱼ ดัชนีแรกเป็นชื่อของสปีชีส์ที่การเติบโตถูกคะตาไลซ์ และดัชนีที่สองเป็นชื่อของพันธมิตรที่ให้คะตาไลซิส การสลับพวกมันพลิกข้อสรุป: การรุกรานของสถานะบริสุทธิ์ x<sub>1</sub> = 1 ถูกตัดสินโดย k<sub>21</sub> — สมาชิกที่อาศัยอยู่ 1 สนับสนุนสมาชิกที่หายาก 2 — ไม่ใช่โดย k<sub>12</sub> ตรวจสอบตนเองโดยถามว่าอัตราการเติบโตของใครจะเพิ่มขึ้นถ้าพันธมิตรนั้นมีมาก
- ในระบอบการแข่งขัน สถานะบริสุทธิ์ทั้งสองเสถียร ดังนั้นผู้ชนะถูกกำหนดโดยจุดที่วัฒนธรรมเริ่มต้นสัมพัทธ์กับจุดภายในที่ไม่เสถียร ไม่ใช่ว่าสมาชิกตัวใดมีค่าคงที่มากกว่า การตรวจสอบตนเองที่มีประโยชน์: ถ้าคุณทำนายผู้ชนะที่แน่นอนโดยไม่ referring to องค์ประกอบเริ่มต้น คุณเกือบจะจัดประเภทระบอบผิดแน่นอน

วัตถุประสงค์ของหน้า**

จัดประเภทไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิกภายใต้การจัดระเบียบคงที่เป็นหนึ่งในสี่ระบอบการเชื่อมโยง — การแข่งขัน การคัดเลือกสมาชิก 1 การคัดเลือกสมาชิก 2 หรือการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิก — โดยตรงจากค่าคงที่การเชื่อมโยงสัมพัทธ์ โดยไม่ต้องอินทิเกรตสมการการเติบโต

ประเด็นการสอน**

1. สถานะเป็นหนึ่งมิติ* การจัดระเบียบคงที่ตรึงความเข้มข้นรวม ดังนั้น x₁ + x₂ = 1 และระบบทั้งหมดถูกอธิบายด้วยเศษส่วนเดียว x₁ สมการการเติบโตอ่านเป็น dx₁/dt = x₁(k₁₁x₁ + k₁₂x₂ − Φ) และ dx₂/dt = x₂(k₂₁x₁ + k₂₂x₂ − Φ) โดย Φ คือผลผลิตส่วนเกินเฉลี่ยที่ถูกลบออกจากทั้งสอง เพราะ Φ เดียวกันถูกลบออกจากสมาชิกทั้งสอง ผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างค่าคงที่อัตรามากกว่าขนาดสัมบูรณ์ของ它們

2. วิธีอ่านค่าคงที่* รายการแนวทแยง k₁₁ และ k₂₂ วัดการเพิ่มพูนตนเอง;

รายการนอกแนวทแยง k₁₂ และ k₂₁ วัดการเพิ่มพูนซึ่งกันและกันแบบข้ามคะตาไลติก ระวังลำดับดัชนี: ใน kᵢⱼ ดัชนีแรกเป็นชื่อของสปีชีส์ที่การเติบโตถูกคะตาไลซ์ และดัชนีที่สองเป็นชื่อของพันธมิตรที่ให้คะตาไลซิส ดังนั้น k₂₁ อธิบายสมาชิก 1 สนับสนุนการเติบโตของสมาชิก 2 และการสลับดัชนีจะพลิกข้อสรุป

3. คำถามการรุกรานสองข้อตัดสินทุกอย่าง* สถานะบริสุทธิ์เสถียรก็ต่อเมื่อสมาชิกที่หายไปไม่สามารถเติบโตเมื่อหายาก:

สมาชิก 2 สามารถรุกรานสถานะบริสุทธิ์ของสมาชิก 1 ได้หรือไม่? ได้ก็ต่อเมื่อ k₂₁ > k₁₁

สมาชิก 1 สามารถรุกรานสถานะบริสุทธิ์ของสมาชิก 2 ได้หรือไม่? ได้ก็ต่อเมื่อ k₁₂ > k₂₂

คำตอบแต่ละข้อเป็นใช่หรือไม่ ดังนั้นคู่จึงสร้างสี่กรณีพอดี นี่คือทางลัดการจัดประเภท: ถามคำถามสองข้อก่อน และทุกอย่างตามมา

4. ระบอบทั้งสี่ (ตารางที่ 17)*

การแข่งขัน — k₁₁ > k₂₁ และ k₂₂ > k₁₂ (ไม่ทั้งสอง) สถานะบริสุทธิ์ทั้งสองเสถียร; จุดภายในเป็น separatrix ที่ไม่เสถียร ดังนั้นส่วนผสมเริ่มต้นตัดสินผู้ชนะ

การคัดเลือกสมาชิก 1 — k₁₁ > k₂₁ และ k₁₂ > k₂₂ (ไม่ แล้วใช่) สมาชิก 1 ต้านการรุกรานและรุกรานสมาชิก 2; มุม x₁ = 1 เป็นสถานะเสถียรเดียว

การคัดเลือกสมาชิก 2 — k₂₁ > k₁₁ และ k₂₂ > k₁₂ (ใช่ แล้วไม่) กรณีกระจก; มุม x₂ = 1 เสถียร

การทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิก — k₁₂ > k₂₂ และ k₂₁ > k₁₁ (ใช่ทั้งสอง) มุมทั้งสองไม่เสถียรและจุดการอยู่ร่วมกันภายในเป็นตัวดึงดูด

5. ตัวอย่างที่ทำเป็นตัวอย่าง* ใช้ k₁₁ = k₂₂ = 1 กับ k₁₂ = k₂₁ = 3 การทดสอบการรุกรานทั้งสองผ่าน ดังนั้นระบอบคือการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันและจุดภายในดึงดูด ตำแหน่งของมันเป็นไปตาม x₁* = (k₁₂ − k₂₂) / ((k₂₁ − k₁₁) + (k₁₂ − k₂₂)) = ½ และวัฒนธรรมที่เริ่มที่ x₁ = 0.99 หรือ x₁ = 0.01 ต่างก็ผ่อนคลายไปที่หนึ่งส่วนสอง ตอนนี้กลับตัวเลขเป็น k₁₁ = k₂₂ = 3 กับ k₁₂ = k₂₁ = 1: ไม่มีการรุกรานใดสำเร็จ สถานะบริสุทธิ์ทั้งสองกลายเป็นเสถียร ระบอบคือการแข่งขัน และจุดภายในเดียวกันเปลี่ยนเป็น separatrix ที่ไม่เสถียรที่เพียงแยกว่ามุมใดจะถูกไปถึง

6. ทำไมไม่ต้องอินทิเกรต* ข้อจำกัด x₁ + x₂ = 1 ยุบระบบเป็นหนึ่งมิติ และค่าลักษณะเฉพาะที่มุมทั้งสองลดลงพอดีกับอสมการการรุกรานสองข้อ การจัดประเภทชุดพารามิเตอร์จึงใช้การเปรียบเทียบสองครั้ง และจุดภายในเสถียรพอดีในระบอบการทำให้เสถียรซึ่งกันและกัน การบัญชีเดียวกันขยายไปยังวัฏจักรสามและ n สมาชิก (ตารางที่ 18): สมาชิกแต่ละตัวถูกทดสอบว่ามันสามารถรุกรานชุมชนที่เกิดจากตัวอื่นได้หรือไม่ และสมมาตรวัฏจักรทำให้ผลลัพธ์เป็นคุณสมบัติของเมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตราทั้งหมดมากกว่าคู่ใดๆ เดียว

คำศัพท์สำคัญ**

การจัดระเบียบคงที่; ผลผลิตส่วนเกินเฉลี่ย (Φ); การเพิ่มพูนตนเอง (ค่าคงที่แนวทแยง); การเพิ่มพูนข้ามคะตาไลติกหรือซึ่งกันและกัน (ค่าคงที่นอกแนวทแยง); อสมการการรุกราน; สถานะบริสุทธิ์; จุดตรึงภายใน; separatrix

สัญญาณภาพ**

ภาพเฟสสี่ภาพจับคู่โดยตรงกับระบอบทั้งสี่ ในการแข่งขัน มุมทั้งสองถูกเติมสีเขียวและภายในเป็นวงกลมสีแดงเปิด; ในแผงการคัดเลือกสองแผง มีเพียงมุมเดียวที่เสถียรและภายในไม่เสถียร;

ในการทำให้เสถียรซึ่งกันและกัน มุมทั้งสองเป็นสีแดงเปิดและภายในเป็นสีเขียว ในแผงการแข่งขัน ลูกศรชี้่ออกไปทางมุมทั้งสอง แสดงว่าวัฒนธรรมตกลงไปฝั่งใดของ separatrix ที่มันเริ่ม — จุดยึดภาพที่มีประโยชน์เมื่อนักศึกษาสับสนระหว่างการแข่งขันกับการคัดเลือก

คำแนะนำการฝึกฝนและแนวทางการตอบ**

Q1 (k₁₁ = 4, k₁₂ = 2, k₂₁ = 2, k₂₂ = 4): ประเมินการทดสอบสองข้อแยกกัน — 2 > 4 เป็นเท็จ และ 2 > 4 เป็นเท็จ คำตอบเท็จสองข้อหมายถึงการแข่งขัน: สถานะบริสุทธิ์ทั้งสองเสถียร จุดภายในเป็น separatrix ที่ไม่เสถียร ข้อผิดพลาดทั่วไปคือการเดาระบอบจากตัวเลขที่ดูใหญ่

ลายเซ็นของการทำให้เสถียรซึ่งกันและกันคือ k₁₂ > k₂₂ พร้อมกับ k₂₁ > k₁₁ การรุกรานแต่ละข้อจับคู่พจน์ข้ามกับพจน์ตนเองของผู้อาศัยที่ถูกโจมตี;

ตัวเลือกที่จับคู่พจน์ข้ามกับพจน์ตนเองที่ผิด หรือกลับการเปรียบเทียบ อธิบายระบอบที่แตกต่าง

ในระบอบการแข่งขัน องค์ประกอบเริ่มต้นสัมพัทธ์กับจุดภายในที่ไม่เสถียรตัดสินผู้ชนะ นักศึกษาที่ตอบ "ค่าคงที่การเพิ่มพูนตนเองที่ใหญ่กว่า" อ่านระบอบผิด;

มุมเสถียรสองมุมไม่สามารถเข้าถึงได้ทั้งสองจากเงื่อนไขเริ่มต้นเดียว

การจัดประเภททำงานได้โดยไม่ต้องอินทิเกรตเพราะ x₁ + x₂ = 1 ลดการไหลเป็นหนึ่งมิติและค่าลักษณะเฉพาะที่มุมเป็นอสมการการรุกรานพอดี สังเกตว่า Φ ไม่ใช่ศูนย์ — มันบังคับความเข้มข้นรวมคงที่และหักล้างออกจากความแตกต่างที่สำคัญ

Q5 (k₁₁ = 1, k₁₂ = 4, k₂₁ = 4, k₂₂ = 2): การทดสอบทั้งสองผ่าน ดังนั้นจุดภายในเสถียรและ x₁* = (4 − 2) / ((4 − 1) + (4 − 2)) = 2/5 = 0.4 ดังนั้น x₂* = 0.6 เตือนนักศึกษาว่าสมดุลไม่จำเป็นต้องแบ่งเท่า; ที่นี่มันไม่ใช่

กรณีศึกษา (k₁₁ = 0.9, k₁₂ = 1.2, k₂₁ = 1.6, k₂₂ = 0.7 h⁻¹): 1.6 > 0.9 และ 1.2 > 0.7 ดังนั้นการรุกรานทั้งสองสำเร็จ — การทำให้เสถียรซึ่งกันและกันแบบไฮเปอร์ไซคลิก โดยสถานะบริสุทธิ์ทั้งสองไม่เสถียรและจุดการอยู่ร่วมกันภายในเป็นสถานะเสถียรเดียว จากนั้น x₁* = (1.2 − 0.7) / ((1.6 − 0.9) + (1.2 − 0.7)) = 0.5 / 1.2 ≈ 0.42 ดังนั้น x₂* ≈ 0.58 วัฒนธรรมที่เริ่มที่ x₁ = 0.9 และ x₁ = 0.05 ไม่สูญเสียสปีชีส์;

ตัวแรก drift ลง ตัวที่สอง drift ขึ้น และทั้งสอง converge ไปที่ส่วนผสมการอยู่ร่วมกันเดียวกัน

ตรวจสอบความเข้าใจ**

ถามนักศึกษาว่าการเปรียบเทียบเดียวใดตัดสินว่าสถานะการอยู่ร่วมกันภายในสามารถเสถียรได้หรือไม่ — ไม่มีข้อใดข้อเดียว; การรุกรานทั้งสองต้องสำเร็จ ถ้ามีเพียงข้อเดียว สมาชิกที่สอดคล้องเข้ามาครอบครอง;

ถ้าไม่มีข้อใด การชนะขึ้นอยู่กับว่าวัฒนธรรมเริ่มที่ไหน การวินิจฉัยอย่างรวดเร็ว: ถ้านักศึกษาทำนายผู้ชนะที่แน่นอนในกรณีการแข่งขันโดยไม่ referring to องค์ประกอบเริ่มต้น แสดงว่าจัดประเภทระบอบผิด

การเปลี่ยนผ่าน**

เกณฑ์เชิงคู่นี้ขยายไปยังวัฏจักรสามและ n สมาชิก ซึ่งสมาชิกแต่ละตัวถูกทดสอบว่ามันสามารถรุกรานชุมชนที่เกิดจากตัวอื่นทั้งหมดได้หรือไม่ และสมมาตรวัฏจักรทำให้เสถียรภาพเป็นคุณสมบัติของเมทริกซ์อัตราทั้งหมด นั่นคือขั้นตอนถัดไปตามธรรมชาติจากกรณีสองสมาชิก

<a id="lecture-page-9"></a>

### การขยายเกณฑ์วิวัฒนาการไปยังวัฏจักร N สมาชิก

*หน้า 9*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** แสดงว่าเกณฑ์จุดตรึงและเสถียรภาพขยายไปยังไฮเปอร์ไซเคิลสามและ n สมาชิกผ่านสมมาตรวัฏจักรได้อย่างไร

> **วัตถุประสงค์ของหน้า**
>
> อธิบายว่าเกณฑ์วิวัฒนาการขยายไปยังไฮเปอร์ไซเคิลสามและ n สมาชิกโดยใช้สมมาตรวัฏจักรและเมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตราได้อย่างไร

**ประเด็นการสอน**

- สำหรับไฮเปอร์ไซเคิลสองสมาชิก การวิเคราะห์จุดตรึงลดลงเป็นการเปรียบเทียบค่าคงที่การเชื่อมโยง สำหรับสามสมาชิกหรือมากกว่า ตรรกะเดียวกันขยายผ่านโครงสร้างของเมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตรา สิ่งสำคัญคือสมมาตรวัฏจักร: สมาชิกทุกตัวถูกเพิ่มโดยสมาชิกก่อนหน้าในวัฏจักร ดังนั้นเมทริกซ์กลายเป็น circulant ในเมทริกซ์ circulant แถวทุกแถวเป็นการเลื่อนแบบวัฏจักรของแถวแรก สำหรับสามสมาชิก K = [k0 k− k+
- k+ k0 k−
- k− k+ k0] แนวทแยง k0 คือพจน์ตนเอง/ฐาน
- k+ และ k− คือการเชื่อมโยงวัฏจักรไปข้างหน้าและย้อนกลับ ไม่มีสมาชิกใดมีสิทธิพิเศษเชิงโครงสร้าง สำหรับ N สมาชิก รูปแบบเดียวกันเลื่อนไปรอบเมทริกซ์ circulant N×N เกณฑ์วิวัฒนาการขยายผ่าน λmax ค่าลักษณะเฉพาะสูงสุดของ K แทนที่จะเป็นผลกระทบเชิงคู่ที่แยกโดด λmax เข้ารหัสผลกระทบแบบรวมของรูปแบบการเชื่อมโยงวัฏจักรทั้งหมด การกำหนดค่าไฮเปอร์ไซเคิลได้เปรียบเมื่อ λmax ของมันเกินกว่าของทางเลือกที่แข่งขันภายใต้ข้อจำกัดเดียวกัน การประมาณค่าลักษณะเฉพาะใช้ได้ตราบเท่าที่ w_km ≪ W_mm − W_kk (เทียบกับตารางที่ 2) นี่คือระบอบการเชื่อมโยงที่อ่อน;
- ถ้าการเชื่อมโยงแข็งแกร่ง สมการ (16)-(18) จะต้องได้รับการแก้ไข จลนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้น/อิ่มตัวทั่วไปมากขึ้นสามารถแทนด้วยอัตรา ∼ xi/(1+ai xi) หรือ xj/(1+Σk ak xk) ดังนั้นเกณฑ์ λmax คือขีดจำกัดเชิงเส้น/การเชื่อมโยงที่อ่อน

**คำศัพท์สำคัญ**

- สมมาตรวัฏจักร, เมทริกซ์ circulant, เมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตรา K, λmax, ระบอบการเชื่อมโยงที่อ่อน, จลนศาสตร์อิ่มตัว

> **สัญญาณภาพ**
>
> - วงไฮเปอร์ไซเคิล N สมาชิกแสดงลูกศรการเพิ่มพูนไปข้างหน้า (k+) และย้อนกลับ (k−) ระหว่างสมาชิก เมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตรา circulant 3×3 แสดงรูปแบบการเลื่อนแบบวัฏจักร: k0 บนแนวทแยง, k− และ k+ นอกแนวทแยง แผนภาพเชื่อมโยงสมมาตรวัฏจักรกับเกณฑ์วิวัฒนาการ λmax(K) โดยระบุเงื่อนไขความใช้ได้ w_km ≪ W_mm − W_kk

> **คำแนะนำการฝึกฝน**
>
> - คุณสมบัติเชิงโครงสร้างของ K สำหรับไฮเปอร์ไซเคิลสามสมาชิกที่ตามมาจากสมมาตรวัฏจักรคืออะไร? คำตอบที่แนะนำ: K เป็น circulant: แถวทุกแถวเป็นการเลื่อนแบบวัฏจักรของแถวแรก การให้เหตุผลที่ถูกคือสมมาตรวัฏจักรทำให้แถวทุกแถวเป็นการเลื่อนแบบวัฏจักร ดังนั้น K เป็น circulant มันไม่ใช่แนวทแยงและไม่จำเป็นต้องสมมาตร ข้อความใดอธิบาย λmax(K) ได้ดีที่สุดในเกณฑ์วิวัฒนาการทั่วไป? คำตอบที่แนะนำ: มันจับผลกระทบแบบรวมของรูปแบบการเชื่อมโยงทั้งหมด λmax(K) คือค่าลักษณะเฉพาะสูงสุดของเมทริกซ์เต็มและแปรผันกับ N
> - มันไม่ใช่พจน์คู่เดียวหรือค่าคงที่ สมมาตรวัฏจักรหมายความว่าอะไรสำหรับไฮเปอร์ไซเคิล N สมาชิก? คำตอบที่แนะนำ: สมาชิกแต่ละตัวถูกเพิ่มโดยสมาชิกก่อนหน้าในวัฏจักร รูปแบบการเพิ่มพูนเดียวกันซ้ำรอบวง ภายใต้เงื่อนไขใดการประมาณค่าลักษณะเฉพาะใช้ได้? คำตอบที่แนะนำ: เมื่อ w_km ≪ W_mm − W_kk (การเชื่อมโยงที่อ่อนเทียบกับช่องว่างแนวทแยง) นี่ไม่ใช่การกลับหรือเงื่อนไขค่าศูนย์ จลนศาสตร์ไม่เชิงเส้นแบบอิ่มตัวสัมพันธ์กับเกณฑ์ λmax อย่างไร? คำตอบที่แนะนำ: พวกมันลดลงเป็นเกณฑ์ λmax ในขีดจำกัดการเชื่อมโยงที่อ่อน เกณฑ์ λmax คือขีดจำกัดเชิงเส้น/การเชื่อมโยงที่อ่อนของจลนศาสตร์ไม่เชิงเส้นหรืออิ่มตัวทั่วไปมากขึ้น กรณีศึกษา (ไฮเปอร์ไซเคิลสี่สมาชิก): แถวแรก [k0, k−, 0, k+] (หรือ [k0, k+, 0, k−]) และแถวทุกแถวเป็นการเลื่อนแบบวัฏจักร ไม่มีสมาชิกใดมีสิทธิพิเศษเพราะเมทริกซ์ไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การเรียงสับเปลี่ยนแบบวัฏจักร λmax(K) ขยายเกณฑ์
> - เงื่อนไขความใช้ได้ตามข้างต้น
> - จลนศาสตร์ไม่เชิงเส้นแบบอิ่มตัวสอดคล้องกับขีดจำกัดเชิงเส้น/การเชื่อมโยงที่อ่อน

**ตรวจสอบความเข้าใจ**

ให้นักศึกษาอธิบายว่าทำไมไม่มีสมาชิกใดมีสิทธิพิเศษเชิงโครงสร้างในเมทริกซ์ circulant λmax แทนอะไร และเมื่อใดการประมาณใช้ได้ ให้พวกเขาเชื่อมโยงสมมาตรวัฏจักรกับโครงสร้าง circulant

> **การเปลี่ยนผ่าน**
>
> ด้วยการขยายนี้ คุณสามารถวิเคราะห์ไฮเปอร์ไซเคิลขนาดใดก็ได้โดยการหา λmax ของเมทริกซ์ค่าสัมประสิทธิ์อัตรา circulant และตรวจสอบเงื่อนไขการเชื่อมโยงที่อ่อน

<a id="lecture-page-10"></a>

### หลักฐานสำหรับ RNA อะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์ที่ทำหน้าที่คู่

*หน้า 10*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** ใช้การจัดเรียง tRNA การสังเคราะห์ Qβ มิดิวาเรียนต์ สารตั้งต้น β-sheet และความยืดหยุ่นของ tRNA เพื่อโต้แย้งว่าอะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์เป็นสาย RNA ที่ทำหน้าที่คู่

**ประเด็นการสอน**

- แยก它們ออกจากกันในบันทึกของคุณ: การจัดเรียง tRNA (ตระกูลลำดับเดียวสนับสนุนทั้งสองบทบาท) Qβ มิดิวาเรียนต์ (RNA จำลองแบบได้โดยไม่ต้องมีเครื่องจักรการแปลรหัส) สารตั้งต้น β-sheet (โปรตีนยุคแรกไม่ต้องการการพับที่ซับซ้อน) และสวิตช์ hf↔FH (กลไกสำหรับอ่านข้อความ) แต่ละอย่างเป็นหลักฐานสนับสนุนชนิดที่แตกต่างกัน และรวมกันแล้ว它們เป็น convergent มากกว่าที่จะเหมือนกัน
- hf = tRNA ที่ติดกับกรดอะมิโน; FH = tRNA ที่ติดกับสายเปปไทด์ การถ่ายโอนกรดอะมิโนไปยังสายเปปไทด์พลิก tRNA จาก hf เป็น FH (เทียบกับรูปที่ 49) สถานะที่พลิกนี้คือสิ่งที่ช่วยให้ข้อความถูกอ่านได้โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสที่ซับซ้อน เพราะบทบาทอะแดปเตอร์และแม่แบบไม่ได้แยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์
- เมื่อคุณพบ 'Why not small oligonucleotide adapters?' จำไว้ว่าแบบจำลองการทำหน้าที่คู่ต้องการสายที่ยาวและมีโครงสร้างเพียงพอที่จะทำงานสองอย่างพร้อมกัน: การจดจำอะแดปเตอร์และความสามารถในการอ่านของเมสเซนเจอร์ oligonucleotide ที่สั้นมากไม่สามารถรองรับทั้งสองอย่างได้อย่างเพียงพอ ดังนั้นข้อโต้แย้งจึงไม่เอาชนะแบบจำลอง

วัตถุประสงค์ของหน้า

สไลด์นี้โต้แย้งว่าสาย RNA เดียวสามารถทำหน้าที่เป็นอะแดปเตอร์—ตัวพาคล้าย tRNA ที่ส่งกรดอะมิโนให้สายที่กำลังเติบโต—และเป็นเมสเซนเจอร์—ลำดับคล้าย mRNA ที่สามารถอ่านได้—พร้อมกัน ถ้าบทบาททั้งสองสามารถอยู่ร่วมกันในโมเลกุลเดียว อุปสรรคระหว่างการจำลองแบบ RNA แบบไฮเปอร์ไซคลิกและการแปลรหัสยุคดึกดำบรรพ์จะลดลง: ไม่จำเป็นต้องมีชั้นอะแดปเตอร์แยก และในตอนเริ่มต้น ซินทีเทสก็ไม่จำเป็นต้องปรากฏก่อนที่ข้อความจะถูกถอดรหัส

ลำดับการสอน

เริ่มด้วยข้อกล่าวอ้างการทำหน้าที่คู่ จากนั้นนำเสนอเส้นหลักฐาน convergent สี่เส้น อธิบายสวิตช์ hf↔FH เป็นกลไกสำหรับอ่านข้อความ จัดการกับคำถามโต้แย้งเกี่ยวกับอะแดปเตอร์ oligonucleotide ขนาดเล็ก ปิดท้ายด้วยข้อควรระวังในการตีความ: สิ่งเหล่านี้เป็นข้อโต้แย้งความเป็นไปได้ ไม่ใช่หลักฐานฟอสซิลโดยตรง

ประเด็นการสอน

การจัดเรียงลำดับและโครงสร้าง tRNA: ฟังก์ชันอะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์สามารถอยู่ในตระกูล RNA เดียวกัน; โมเลกุลเดียวสามารถ carry ทั้งบทบาทการรับ/ถ่ายโอนกรดอะมิโนและข้อมูลลำดับที่อ่านได้

การสังเคราะห์ดีโนโวของ Qβ มิดิวาเรียนต์: RNA สามารถ reproduce ได้โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสที่มีอยู่ก่อน ดังนั้นโมเลกุล RNA ขนาดใหญ่ที่ reproduce ได้ขนาดเท่า tRNA จึงเป็นไปได้ก่อนที่การแปลรหัสที่ซับซ้อนจะมีอยู่

สารตั้งต้นเอนไซม์แบบ β-sheet อย่างง่าย: โปรตีนที่ทำงานได้ยุคแรกไม่ต้องการการพับที่ซับซ้อน; เปปไทด์น้อยที่สุดสามารถให้ฟังก์ชันดึกดำบรรพ์โดยไม่ต้องมีเอนไซม์ที่พับอย่างสมบูรณ์

ความยืดหยุ่นเชิงโครงรูปของ tRNA (hf↔FH): บทบาทอะแดปเตอร์และแม่แบบไม่ได้แยกออกจากกันอย่างสมบูรณ์เป็นชั้น RNA ที่แตกต่างกัน

hf = tRNA ที่ติดกับกรดอะมิโน;

FH = tRNA ที่ติดกับสายเปปไทด์ การถ่ายโอนกรดอะมิโนไปยังสายเปปไทด์พลิก tRNA จาก hf เป็น FH (เทียบกับรูปที่ 49) สถานะที่พลิกนี้ช่วยอธิบายว่าข้อความสามารถถูกอ่านได้โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสที่ซับซ้อนได้อย่างไร

'Why not small oligonucleotide adapters?' แบบจำลองการทำหน้าที่คู่ต้องการความยาวและโครงสร้าง RNA เพียงพอที่จะรองรับทั้งการจดจำอะแดปเตอร์และความสามารถในการอ่านของเมสเซนเจอร์ ดังนั้น oligonucleotide ที่สั้นมากไม่สามารถทำหน้าที่ทั้งสองได้

คำศัพท์สำคัญ

อะแดปเตอร์; เมสเซนเจอร์; hf; FH; สวิตช์ hf↔FH; Qβ มิดิวาเรียนต์; สารตั้งต้นเอนไซม์แบบ β-sheet; หลักฐาน convergent; ความเป็นไปได้เทียบกับการพิสูจน์

สัญญาณภาพ

แผนภาพแสดงสถานะ tRNA สองสถานะ ใน hf tRNA จับกับกรดอะมิโน ใน FH มันจับกับสายเปปไทด์ ทั้งสองสถานะรักษา loop แอนติโคดอนและลำดับที่อ่านได้ ลูกศรบ่งชี้การถ่ายโอนกรดอะมิโนไปยังสายเปปไทด์และการพลิก hf เป็น FH ใช้มันเพื่อเน้นว่าบทบาทอะแดปเตอร์และแม่แบบทับซ้อนกันในสายเดียวกัน

คำแนะนำการฝึกฝน

สำหรับแต่ละรายการ ให้ผู้เรียนพิสูจน์เหตุผลการเลือกของพวกเขาด้วยหลักฐานจากสไลด์ ยืนยันคำตอบที่ถูกโดยการกล่าวซ้ำหลักฐานสำคัญ และสำหรับคำตอบที่ไม่ถูก ชี้กลับไปที่เส้นหลักฐานที่เกี่ยวข้อง

1. การจัดเรียงลำดับและโครงสร้าง tRNA สนับสนุนข้อกล่าวอ้างว่าฟังก์ชันอะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์สามารถอยู่ในตระกูล RNA เดียวกัน ข้อเสนอแนะที่ถูก: โมเลกุลเดียวสามารถ carry ทั้งสองบทบาท เปลี่ยนเส้นทางถ้าผู้เรียนเลือกคำตอบเกี่ยวกับความยาวหรือจังหวะเวลาของรหัสพันธุกรรม

2. Qβ มิดิวาเรียนต์แสดงว่า RNA สามารถ reproduce ได้โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสที่มีอยู่ก่อน ข้อเสนอแนะที่ถูก: สิ่งนี้ทำให้ RNA ขนาดเท่า tRNA ที่ reproduce ได้เป็นไปได้ มันไม่ได้กล่าวถึงการพับ β-sheet การสูญเสียแอนติโคดอน หรือความเสถียรของ hf

3. การกำหนดค่าที่ปรากฏขึ้นอยู่กับว่า tRNA ติดกับกรดอะมิโนหรือสายเปปไทด์ ข้อเสนอแนะที่ถูก: hf คือสถานะที่จับกับกรดอะมิโน; FH คือสถานะที่จับกับสายเปปไทด์

4. การถ่ายโอนกรดอะมิโนไปยังสายเปปไทด์พลิก tRNA จาก hf เป็น FH (เทียบกับรูปที่ 49) ข้อเสนอแนะที่ถูก: ทิศทางนี้จำเป็น; มันไม่ใช่การกลับและไม่ใช่การเปลี่ยนชั้นโมเลกุล

5. ข้อโต้แย้ง 'Why not small oligonucleotide adapters?' ถูกตอบโดยความจำเป็นของความยาวและโครงสร้างเพื่อรองรับทั้งการจดจำอะแดปเตอร์และความสามารถในการอ่านของเมสเซนเจอร์ ข้อเสนอแนะที่ถูก: oligonucleotide น้อยที่สุดไม่สามารถครอบคลุมทั้งสองงานพร้อมกัน

ตรวจสอบความเข้าใจ

ให้ผู้เรียนระบุข้อกล่าวอ้างการทำหน้าที่คู่ในหนึ่งประโยค ตั้งชื่อเส้นหลักฐานสี่เส้น และอธิบายทิศทางการพลิก hf เป็น FH สำหรับกรณีศึกษา ผู้เรียนควรแยกหลักฐานสนับสนุนออกจากการพิสูจน์: หลักฐานเป็น convergent แต่ทางอ้อม ดังนั้นมันจึง establish ความเป็นไปได้ การพิสูจน์เท็จจะต้องแสดงว่าไม่มีความยาวหรือโครงสร้าง RNA เดียวที่สามารถทำหน้าที่ทั้งสองพร้อมกันได้ การเคลื่อนจากความเป็นไปได้ไปสู่การพิสูจน์จะต้องมีตัวบ่งชี้โดยตรง เช่น RNA เดียวที่รับกรดอะมิโน ถ่ายโอนมันไปยังเปปไทด์ และถูกอ่านเป็นแม่แบบโดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสที่ซับซ้อน

การเปลี่ยนผ่าน

เมื่อผู้เรียนสามารถแยกแยะเส้นหลักฐานสี่เส้นและอธิบายสวิตช์ hf เป็น FH ได้ ให้ไปยังการประยุกต์หรือบทสรุปถัดไป

พื้นฐานแหล่งที่มา

หน้า 77–87

<a id="lecture-page-11"></a>

### จากการเชื่อมโยงเชิงหน้าที่สู่เอนไซม์ชุดแรก

*หน้า 11*

> **วัตถุประสงค์ของหน้า:** สังเคราะห์ข้อโต้แย้งว่าการเชื่อมโยงเชิง functionalities อาจไม่ต้องการซินทีเทสในตอนเริ่มต้น และรีพลิเคสน่าจะเป็นเอนไซม์จำเป็นตัวแรก

**ประเด็นการสอน**

- ทดสอบทุกองค์ประกอบด้วยคำถามเดียว: ถ้ามันถูกลบ ระบบยังสามารถถูกคัดลอกและคัดเลือกได้หรือไม่? ซินทีเทส tRNA แยก และเครื่องมือแปลรหัสที่สมบูรณ์ไม่ผ่านการทดสอบนี้; รีพลิเคสผ่านมัน การทดสอบเดียวนี้รักษาลำดับเชิงสาเหตุให้ตรงในทุกเวอร์ชันของข้อโต้แย้ง
- เกณฑ์ข้อผิดพลาดคือตะขอความจำของคุณสำหรับทำไมระบบแรกต้องเล็ก ข้อมูลที่ยาวกว่าและเชื่อมโยงซับซ้อนกว่าต้องการความเที่ยงตรงสูงกว่าที่รีพลิเคสยุคแรกสามารถส่งมอบได้ ดังนั้นส่วนที่เพิ่มความเที่ยงตรงต้องมาถึงหลังจากวัฏจักรน้อยที่สุดที่มีรีพลิเคสเป็นศูนย์กลางได้รับการestablish แล้ว
- การสังเคราะห์ดีโนโวของ Qβ มิดิวาเรียนต์คือจุดอ้างอิงที่เป็นรูปธรรม: ระบบ RNA น้อยที่สุดที่มีรีพลิเคสเป็นศูนย์กลางที่สามารถศึกษาได้จริงในห้องปฏิบัติการ เข้าหามันทุกครั้งที่คุณต้องโต้แย้งว่าการจำลองแบบ ไม่ใช่การแปลรหัส เป็นฟังก์ชันแรกที่ต้องกลายเป็นเอนไซม์

วัตถุประสงค์ของหน้า

สังเคราะห์ข้อโต้แย้งว่าการเชื่อมโยงเชิงหน้าที่อาจไม่ต้องการซินทีเทสในตอนเริ่มต้น และรีพลิเคสน่าจะเป็นเอนไซม์จำเป็นตัวแรก

ประเด็นการสอน

ขั้นตอนปิดท้ายของบทเรียนนี้ถามว่าอะไรต้องมีอยู่แล้วสำหรับการสังเคราะห์เปปไทด์และการเก็บข้อมูลที่จะถูกเชื่อมโยง คำตอบไม่ใช่เครื่องมือแปลรหัสที่เรียบง่าย แต่เป็นระบบคะตาไลติกที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้น้อยที่สุดที่สาย RNA ทำหน้าที่เป็นเมสเซนเจอร์และอะแดปเตอร์พร้อมกัน ในระบบนี้ ตัวคะตาไลซ์ที่จำเป็นจริงๆ ตัวแรกคือรีพลิเคส ไม่ใช่อะมิโนเอซิล-tRNA ซินทีเทส

การเชื่อมโยงเชิงหน้าที่ก่อนเครื่องมือที่สมบูรณ์: อะแดปเตอร์ที่ carry กรดอะมิโนและเมสเซนเจอร์ที่ carry แม่แบบถูกจดจำโดยเครื่องจักรดึกดำบรรพ์เดียวกัน ถ้าสาย RNA เดียวสามารถพับเป็นโครงสร้างคล้ายอะแดปเตอร์และยังทำหน้าที่เป็นแม่แบบได้ จำนวนองค์ประกอบอิสระที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์เปปไทด์คล้ายการแปลรหัสจะลดลงอย่างรวดเร็ว การสร้างพันธะเปปไทด์กลายเป็นไปได้ก่อนไรโบโซม ก่อนชุด tRNA ที่สมบูรณ์ และก่อนซินทีเทสใดๆ จะมีอยู่ คุณลักษณะสำคัญรวมถึงสายที่ทำหน้าที่คู่ (RNA เดียวรวมบทบาทเมสเซนเจอร์และอะแดปเตอร์) การชาร์จโดยตรง (ความสัมพันธ์ RNA–กรดอะมิโนและการถ่ายโอนเปปไทด์ที่ไม่มีไรโบโซมจัดหาขั้นตอนการกระตุ้น初期) ความยืดหยุ่นเชิงโครงรูป (ตามที่เปิดเผยโดยการจัดเรียงลำดับ tRNA) และคะตาไลซ์อย่างง่าย (β-sheet สั้นหรือเปปไทด์คะตาไลติกขนาดเล็ก ไม่ใช่เอนไซม์ globular ที่พับแบบสมัยใหม่)

ซินทีเทสและ tRNA แยกเป็นสิ่งปรับปรุงในภายหลัง: ถ้าการชาร์จเริ่มต้นและฟังก์ชันอะแดปเตอร์สามารถพบได้โดยไม่ต้องมีเอนไซม์เฉพาะ อะมิโนเอซิล-tRNA ซินทีเทสและโมเลกุล tRNA อิสระจะกลายเป็นองค์ประกอบควบคุมคุณภาพมากกว่าข้อกำหนดเบื้องต้น พวกมันกระชับการจับคู่ระหว่างโคดอนและกรดอะมิโนและเพิ่มความเที่ยงตรงของการแปลรหัส พวกมันปรากฏเมื่อระบบที่เชื่อมโยงกันจำลองแบบอยู่แล้วและอยู่ภายใต้การคัดเลือกแล้ว—ไม่ใช่เงื่อนไขที่ทำให้การเชื่อมโยงเป็นไปได้ตั้งแต่แรก

เอนไซม์จำเป็นตัวแรก การเชื่อมโยงเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ ไม่ว่าวัฏจักรคล้ายการแปลรหัสจะสง่างามเพียงใด มันก็หายไปเมื่อโมเลกุลของมันตาย เว้นแต่ข้อมูลที่เข้ารหัส它可以ถูกคัดลอก การจำลองแบบเปลี่ยนการเชื่อมโยงทางเคมีครั้งเดียวให้เป็นฟังก์ชันที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้และคัดเลือกได้ RNA รีพลิเคส—โดยมีการสังเคราะห์ดีโนโวของ Qβ มิดิวาเรียนต์เป็นอะนาล็อกเชิงทดลองของระบบ RNA น้อยที่สุดที่มีรีพลิเคสเป็นศูนย์กลาง—จัดหาความสามารถนี้พอดี ข้อจำกัดความเที่ยงตรงเสริมข้อสรุป: เครื่องมือแปลรหัสที่สมบูรณ์ต้องการองค์ประกอบที่ interact อย่างแม่นยำหลายตัว;

ที่อัตราข้อผิดพลาดที่คาดหวังของรีพลิเคสยุคแรก เครื่องมือขนาดใหญ่เช่นนั้นไม่สามารถถูกคงไว้เทียบกับเกณฑ์ข้อผิดพลาดได้ ในขณะที่ควอซีสปีชีส์ RNA สั้นที่ถูกคัดลอกโดยรีพลิเคสสามารถทำได้ แบบแผนน้อยที่สุดที่รีพลิเคสมาก่อนจึงไม่ใช่การลดความซับซ้อนเพื่อความสะดวก แต่เป็นผลโดยตรงจากข้อจำกัดความเที่ยงตรงของยุคนั้น ซินทีเทส tRNA แยก และการแปลรหัสที่สมบูรณ์ปรากฏในภายหลังเป็นสิ่งปรับปรุงที่เพิ่มความเที่ยงตรงซ้อนทับบนแกนที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้แล้ว

รักษาลำดับเชิงสาเหตุให้ตรง: การเชื่อมโยงเชิงหน้าที่ → การจำลองแบบ → คะตาไลซิสที่เชื่อมโยงภายใต้การคัดเลือก → เอนไซม์ชุดแรก ซินทีเทส tRNA แยก และเครื่องมือแปลรหัสที่สมบูรณ์เป็นการเพิ่มในภายหลังที่เพิ่มความเที่ยงตรง;

รีพลิเคสเป็นคะตาไลซ์最早的ที่ระบบไม่สามารถละทิ้งได้

สัญญาณภาพ

ไทม์ไลน์เซลล์น้อยที่สุดแสดงหกขั้นตอน: (1) การจำลองแบบ RNA (2) RNA อะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์ที่ทำหน้าที่คู่ (3) สารตั้งต้นเปปไทด์ β-sheet อย่างง่าย (4) รีพลิเคสชุดแรก (จำเป็น) (5) ซินทีเทสและ tRNA แยกในภายหลัง และ (6) เครื่องมือแปลรหัสที่สมบูรณ์ กล่องคำอธิบายสองกล่องสรุปข้อโต้แย้ง: "Synthetases not required at the start" (การถ่ายโอน RNA–กรดอะมิโน/เปปไทด์โดยตรงสามารถชาร์จอะแดปเตอร์ได้) และ "Replicases: the first essential enzymes" (ถ้าไม่มีการจำลองแบบ คะตาไลซิสที่เชื่อมโยงไม่สามารถถูกถ่ายทอดได้)

คำแนะนำการฝึกฝน

XVI.8 — อะมิโนเอซิล-tRNA ซินทีเทสจำเป็นสำหรับการเริ่มต้นหรือไม่? คำตอบที่แนะนำที่ถูก: ไม่;

RNA อะแดปเตอร์ที่ทำหน้าที่คู่บวกปฏิสัมพันธ์ RNA–กรดอะมิโนโดยตรงและการถ่ายโอนเปปไทด์สามารถจัดหาขั้นตอนการชาร์จแรกได้ ข้อเสนอแนะ: ซินทีเทสมาถึงในภายหลังและปรับปรุงความเที่ยงตรงและประสิทธิภาพของการชาร์จเป็นหลัก;

ปฏิสัมพันธ์โดยตรงสามารถทำขั้นตอนการติดตั้งแรกได้

XVI.9 — โมเลกุลใดเป็นเอนไซม์จำเป็นตัวแรก? คำตอบที่แนะนำที่ถูก: RNA รีพลิเคส คำอธิบาย: ถ้าไม่มีการคัดลอก วัฏจักรคล้ายการแปลรหัสที่เชื่อมโยงไม่สามารถถูกถ่ายทอดหรือคัดเลือกได้ ดังนั้นไม่มีฟังก์ชันเอนไซม์อื่นสามารถถูกทำให้เสถียรได้

XVI.7 — โปรตีนที่ทำงานได้เชิงหน้าที่ตัวแรกมีลักษณะอย่างไร?

β-sheet อย่างง่ายหรือเปปไทด์คะตาไลติกสั้น ไม่ใช่เอนไซม์ที่พับแบบสมัยใหม่ คำอธิบาย: พื้นผิวคะตาไลติกน้อยที่สุดที่สามารถช่วยการจำลองแบบหรือการถ่ายโอนเปปไทด์;

หลุม active-site ลึกและการพับที่ซับซ้อนเป็นของเอนไซม์ที่ปรับปรุงแล้วในภายหลัง

คุณสมบัติใดของ RNA อะแดปเตอร์ยุคแรกที่ทำให้โมเลกุล tRNA แยกไม่จำเป็นในตอนเริ่มต้น?

ความยืดหยุ่นเชิงโครงรูปของ它们ช่วยให้สายเดียวทำหน้าที่เป็นทั้งอะแดปเตอร์และเมสเซนเจอร์ สิ่งนี้ย่อระบบยุคแรกให้เป็นจำนวนองค์ประกอบที่น้อยลงมาก; tRNA แยกเป็นการเชี่ยวชาญในภายหลัง

ทำไมเกณฑ์ข้อผิดพลาดจึงสนับสนุนแบบแผนน้อยที่สุดที่รีพลิเคสมาก่อน?

เครื่องมือหลายองค์ประกอบขนาดใหญ่ไม่สามารถถูกคงไว้ที่อัตราข้อผิดพลาดการคัดลอกสูงของยุคแรกได้ ในขณะที่ควอซีสปีชีส์ RNA สั้นที่ถูกคัดลอกโดยรีพลิเคสสามารถทำได้ ซินทีเทส tRNA แยก และการแปลรหัสที่สมบูรณ์เป็นองค์ประกอบที่เพิ่มความเที่ยงตรงที่เพิ่มในภายหลัง

เซลล์น้อยที่สุดที่มีรีพลิเคสเป็นศูนย์กลางประกอบด้วยควอซีสปีชีส์ RNA ที่อุดมด้วย GC (สายทำหน้าที่เป็นเมสเซนเจอร์และอะแดปเตอร์) เปปไทด์ β-sheet สั้นที่ช่วยการถ่ายโอนเปปไทด์และการคัดลอกแม่แบบอย่างอ่อน และ RNA รีพลิเคส;

ไม่มีซินทีเทสหรือ tRNA แยก Q1: องค์ประกอบใดเป็นตัวแรก�ี่การคัดเลือกสามารถกระทำต่อในฐานะเอนไซม์ และทำไม? คำตอบที่แนะนำ: รีพลิเคส เพราะการเชื่อมโยงเพียงอย่างเดียวไม่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้;

เฉพาะเมื่อ RNA ที่เข้ารหัสฟังก์ชันที่เชื่อมโยงถูกคัดลอกแล้วเท่านั้นที่ตัวแปรสามารถถูกเปรียบเทียบและรักษาไว้ Q2: ถ้าซินทีเทสและ tRNA แยกถูกเพิ่มในภายหลัง ระบบได้อะไรและลำดับเชิงสาเหตุใดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง?

มันได้ความเที่ยงตรงและประสิทธิภาพ;

ลำดับเชิงสาเหตุ—การจำลองแบบข้อมูลที่เข้ารหัสและการเชื่อมโยงเชิงหน้าที่ระหว่างบทบาทเมสเซนเจอร์และอะแดปเตอร์—ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ซินทีเทสและ tRNA เป็นสิ่งปรับปรุงที่ซ้อนทับบนระบบที่จำลองแบบอยู่แล้วและคัดเลือกได้อยู่แล้ว ไม่ใช่ข้อกำหนดเบื้องต้น

ตรวจสอบความเข้าใจ

ทดสอบทุกองค์ประกอบด้วยคำถามเดียว: ถ้ามันถูกลบ ระบบยังสามารถถูกคัดลอกและคัดเลือกได้หรือไม่? ซินทีเทส tRNA แยก และเครื่องมือแปลรหัสที่สมบูรณ์ไม่ผ่านการทดสอบนี้;

รีพลิเคสผ่านมัน การทดสอบเดียวนี้รักษาลำดับเชิงสาเหตุให้ตรงในทุกเวอร์ชันของข้อโต้แย้ง ให้นักศึกษาระบุว่าทำไมเกณฑ์ข้อผิดพลาดต้องการให้ระบบแรกเล็ก และทำไมการสังเคราะห์ดีโนโวของ Qβ มิดิวาเรียนต์จึงเป็นจุดอ้างอิงที่เป็นรูปธรรมสำหรับระบบ RNA น้อยที่สุดที่มีรีพลิเคสเป็นศูนย์กลาง

การเปลี่ยนผ่าน

ยืนยันว่านักศึกษาสามารถแสดงความสัมพันธ์หลักได้: การเชื่อมโยงเชิงหน้าที่ → การจำลองแบบ → คะตาไลซิสที่เชื่อมโยงภายใต้การคัดเลือก → เอนไซม์ชุดแรก เมื่อพวกเขาอธิบายได้ว่าทำไมซินทีเทสและ tRNA แยกเป็นสิ่งปรับปรุงในภายหลัง และทำไมรีพลิเคสเป็นเอนไซม์จำเป็นตัวแรก ให้ไปยังหน้าถัดไป

--- สิ้นสุดข้อความต้นฉบับ ---