催化超循环是 达尔文系统在分子层面的实现:一个由自我复制单元构成的闭合循环,其中每个成员都催化加速下一个成员的繁殖。由于每个单元都依赖于下游的伙伴,真正进行复制的实体并非任何单个分子,而是循环本身——它以集体的方式复制,因此可以被视为高阶复制子。
为何复制子的循环可被视为达尔文系统
分子进化并非自动发生。它需要三个条件同时成立,而超循环之所以引人注目,正因为它通过一个结构装置——闭合的催化循环——同时提供了这三个条件。
- 代谢:系统必须获取自由能和物质,以驱动自身组分的合成。在超循环中,每个成员的催化产物都供给另一个成员的合成工作,因此循环维持着内部物质与能量的周转。
- 自我复制:系统必须产生自身的副本。此处的复制单元是循环本身,而非孤立的分子:每个成员增强下一个成员的复制,因此作为整体的循环是集体自我复制的,而单个成员并不自足。
- 可变异性:模板必须在拷贝时偶尔出错,从而产生可遗传的变异。若没有序列变异,选择便无从作用,循环只会是一个化学稳态,而非一个进化中的系统。
因此,超循环同时满足了代谢、自我复制和可变异性这三项先决条件,正是在这个确切的意义上,它是一个分子层面的达尔文系统。
恒定总体组织下的选择
为了描述这样的系统如何被选择,需要将循环置于恒定总体组织的状态中:复制子的总浓度保持固定,因此竞争表现为份额的重新分配,而非无限制的增长。每个变体 i 被赋予一个选择值 Wii,即其净复制优势,其动力学遵循熟悉的形式
这对等式中的两个特征对超循环至关重要。第一,Wii 是变体 i的净优势,因此,当突变体从其超循环伙伴处获得更好的催化支持时,会获得更大的 Wii ,而环境无需任何改变。第二,E(t) 是平均超额生产力,即选择值的种群均值;它对每个变体都同样地扣除,正是它使总浓度保持恒定。由于 E(t) 是一个种群平均值,随着最初最适的变体扩散,它会上升,这些变体的增长优势被逐步侵蚀,直到分布趋于稳定。
选择的真正目标是准物种
选择并不作用于单一的最佳序列。突变不断使各变体相互转化,突变—选择平衡产生一个以优势类型为中心的、稳定而有序的序列分布:准物种。超循环组织又增添了一层集体耦合,因为被耦合的单元并非单个序列,而是整个准物种,每个准物种都为下一个提供催化支持。因此,这一论述从作为分子选择单元的准物种,延伸到作为二级或更高阶选择单元的超循环。
误差阈值并未被绕过
集体组织并不会放松约束任何复制子的保真度要求。信息的可重现维持要求拷贝保真度相对于所存储的信息量足够高:一旦超过临界突变率,突变云将无限拓宽,有序分布随之瓦解。同样的条件适用于循环中的每个成员,而且由于各成员在催化上相互依赖,它们的信息损失是协同发生的。超循环从它的组分那里继承了误差阈值;它无法逃避这一约束。
