Эйген, Шустер - Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул - 1983, страница 11

Средние скорости' для а) и б) подобраны таким образом, чтобы в памяти постоянно хранилось й) предложений, причем каждое предложение имеет конечное время жизни. Следовательно, любая информация, приобретенная во время игры, может сохраниться лишь посредством верного воспроизведения имеющихся последовательностей. Увеличение информации, Часть А. Военикновение гинериикла 58 Лт. Порог ошибок и вволтоцин с другой стороны, должно быть результатом селективной оценки различных мутантных последовательностей в соответствии с их смыслом или, лучше, в соответствии с их близостью к какому-либо смыслу. Эта оценка должна осуществляться посредством внутренних, зависящих от смысла свойств последовательностей,— свойств, которые должны влиять на скорости их воспроизведения и (или) удаления, как это отражается в селективной ценности. При естественном отборе целью эволюции всегда является создание генотипа, соответствующего фенотипу с оптимальной селективной ценностью.

Оценка, следовательно, производится через фенотипические, т. е. физические и химические свойства данного индивида, которые определяют скорость и качество воспроизведения, а также время жизни генотипа по отношению к среднему времени жизни его конкурентов, присутствующих в популяции. Подобным же образом и человеческая память способна связать с любой последовательностью букв репродуктивную ценность, которая связана с ее смыслом. Итак, в данной игре можно было бы оценивать любую последовательность букв в соответствии с ее смыслом, используя наше воображение. Конечно, ЭВМ может делать это только с помощью какой-либо конкретной программы, в которой эволюционирующие предложения сравниваются с одним или несколькими контрольными предложениями — «целями». Допустим теперь, что каждая последовательность воспроизводится со скоростью, которая зависит от числа символов, совпадающих с символами (в соответствующих положениях) осмысленного целевого предложения.

Используя бинарное кодирование, можно постулировать, что с каждым битом ближе к цели мы увеличиваем скорость воспроизведения, умножая ее на определенный множитель, а с каждым битом дальше от цели мы соответственно уменьшаем ее. Информация о возможных целевых предложениях, которая должна вводиться в ЭВМ с самого начала, используется только для того, чтобы задать ЭВМ схему оценки. Процедуру оценки легко можно было бы сделать более изощренной, чтобы она больше напоминала нашу мысленную оценку «смысла», вплоть до того, что конкретная цель, к которой в конце концов приводит оценка, не будет определена заранее. Однако эти детали механизма имитации вовсе не так уж важны для иллюстрации физического смысла пороговой формулы, поскольку мы можем дать определение внутренней процедуры оценки молекулярной эволюции — примером служит игровая модель, демонстрирующая эволюцию молекул тРНК 118).

Результаты машинного эксперимента, согласно табл. 3, можно резюмировать следующим образом. При высоком качестве воспроизведения символов, например для предложения из 100 битов со средней вероятностью ошибки на символ 1 — Ч «10 скорость эволюционного процесса очень мала даже при больших значениях о, т. е. при больших селективных преимуществах. Максимальная скорость достигается, если выбрать средние вероятности ошибок (1 — д ) того же порядка величины, что и 1/т (например, для 100 битов д 0,99).

При достаточно больших значениях и ()3) целевое предложение получается после такого числа генераций, которое по порядку величины соответствует эволюционному расстоянию между целью и начальной (более или менее случайной) последовательностью (например, 100 генераций). Однако, как только порог для 1 — д = !и и /т будет превзойден, не может быть накоплено никакой новой информации, каким бы большим ни было выбранное селеитивное преимущество, приходящееся на один бит.

Если начинать игру с почти правильного предложения, то информация распадается на случайную смесь букв, а не эволюционирует к правильной копии. Порог очень резкий, но скорость распада варьирует вблизи порога. Пороговое значение очень слабо зависит от величины и , если только этот параметр не становится очень близким к единице. Превосходство в! 60 Часть А. Вовникновгниг гиягрцикла 1У. Порог ошибок и эволюция о вычисляется из относительных селективных преимушеств, и, следовательно, требуются некоторые сведения о характере распределения ошибок (по отношению к соответствующей оптимальной копии). Это распределение, конечно, зависит от величин селективных преимуществ. Результаты машинного эксперимента очень близки к ожидаемому распределению ошибок, которое вблизи критического значения 1 — д ж 1/т (причем !по 1) приписывает почти одинаковые веса оптимальной копии, всем копиям с одной ошибкой (относительно оптимальной) и сумме всех копий с ббльшим числом ошибок (где доминируют копии с двумя ошибками, а вклад копий с ббльшим числом ошибок резко падает).

Для меньших селективных преимушеств (напри- меР, )У вЂ” )Угьь ( 3) это РаспРеделение сдвигаетсЯ в пользу ошибочных копий и в ущерб (относительному) оптимуму, который для 1пп = 1 уже составляет менее 1Оо от общего числа копий. !7.2. Экспериментальные исследования с РНК-содержащими фагамн Насколько тривиальной может показаться эта игра — после того, как ее результаты рационализированы,— настолько уместна она в природе, определяя информацию, приобретенную на различных уровнях доклеточной и клеточной самоорганизации.

Вейсман с сотрудниками провели эксперимент с фагом ЯЗ, результаты которого почти точно соответствуют исходу этой игры !32, 33). С помощью направленного сайт-специфического мутагенеза была получена ошибочная копия фагового генома. Эта процедура заключается в синтезе !и хй!го минус-цепи фаговой РНК, содержащей в положении 39 от 5'-конца мутантный аналог основания Хь-гидрокси-СМР вместо исходного НМР. Используя эту цепь в качестве матрицы и полимеризующий фермент Яа-репликазу, можно было получить инфекционную плюс-цепь, в которой в положении 40 от 3'-конца (опо соответствует положению 39 от 5'- конца в минус-цепи и локализовано в экстрацистронной области) остаток А замешен на О. Затем этой мутантной плюс-цепью были инфицированы сферопласты Е.

со!! и получен урожай мутантных фаговых частиц, которых можно было изолировать из отдельных бляшек. Эксперименты с серийными переносами !и чгяо (инфекция Е. со!! целыми фаговыми частицами) и 1п ч!1го (кинетические исследования на изолированных цепях РНК с использованием Язрепликазы) позволили определить параметры скорости воспроизведения как для фага дикого типа, так и для мутанта-40, а также установить распределения их сателлитов.

Метод «отпечатков пальцев» н анализ нуклеотидных последовательностей для ряда последовательных генераций показали, что в мутантной популяции происходят изменения, вызванные образованием ревертантов. Опыты с различными начальными распределениями фага дикого типа и мутанта обнаружили, что в процессе естественного отбора идет конкуренция между единственным доминирующим типом и мутантами.

Количественные расчеты указывают на зависимость от данного селективного преимушества и от параметров распределения мутантной популяции. Селективное преимущество дикого типа по сравнению с данным конкретным мутантом равно йгяякпв тпп йгнутант 2 ' 4 в то время как скорость замещения равна примерно ! — Ч=з 10'. Это значение Ч определяется скоростью образования ревертантов и, следовательно, относится к следующим (комплементарным) замещениям: О-+А или С- 1). Согласно уравнению (20), факторы качества для плюс- и минус-цепей вносят равный вклад в точность воспроизведения. Замещения О-иА и С- 1). таким образом, эквивалентны. Возможно, они не очень сильно отличаются от замещений А- О н 1р.

Порог ошибок и »«олюции 63 Часть А. Воэникноггниг гиигрцикла (3 — »С, что обусловлено главным образом сходством «качаний» для взаимодействий ОП и (Ж. Поскольку реплицируюший фермент требует раз. вертывания матрицы, чтобы она могла связаться с активным центром, значения д, вероятно, не зависят от вторичной или третичной структуры матрицы. Опыты ш чйго с миди-вариантом РНК Яа [27) дают скорости замешения С- Ц которые согласуются со значениями, приведенными выше. Замещения пурин — пиримидин и пиримидин — пурин, повидимому, происходят гораздо реже и поэтому не вносят существенного вклада в величину д. Определить о„труднее, так как эта величина зависит от Еии .

Прежде всего обратим внимание на то, что модификация экстрацистронной области, которая не влияет нн на один белок, кодируемый фаговой РНК, существенно изменяет скорость репликации. Спигелман первый подчеркнул важность фенотипических свойств молекулы фаговой РНК в связи с механизмом репликации и отбора. Значение а, приведенное выше, относится к определенному мутанту и его сателлитам. Другие мутации могут влиять на третичную структуру РНК Яв иным образом, и, следовательно, соответствуюшие мутанты могут иметь другие скорости репликации.

Более того, мутации в интрацистронных областях могут быть летальными и поэтому вообше не давать вклада в Еь~ . Если считать измеренное значение характерным для большей части мутаций, то тогда для максимального информационного содержания получится величина, лишь слегка превышавшая действительный размер генома фага Яа, который составляет около 4500 нуклеотидов. Такое близкое соответствие кажется подозрительным, и мы сделали определенные оговорки. Однако этн оговорки отно.