A гиперцикл — это замкнутое множество репликаторов, которые катализируют репликацию друг друга. Поскольку цикл определяется взаимным катализом между несколькими различными последовательностями, он не может зародиться из одной копии матрицы: одна молекула не содержит всей циклической функции, и у её первой копии нет каталитических партнёров, с которыми можно замкнуть петлю. Поэтому гиперциклическая организация не может возникнуть внезапно; она должна собираться постепенно на уровне популяции, и наиболее правдоподобной колыбелью для этой сборки является богатый ГЦ квазивид.

Почему одна матрица не может начать цикл

Автокаталитический репликатор самодостаточен: одиночная цепь, служащая матрицей для собственного копирования, растёт экспоненциально из одной молекулы, поскольку молекула и её продукт несут одну и ту же функцию. Гиперцикл не таков. Его определяющее свойство — замкнутая петля каталитической поддержки в которой член i усиливает репликацию члена j, который усиливает k, и так далее, пока петля не вернётся к i. Уберите любого отдельного члена, и оставшиеся члены больше не воспроизводят его. Следовательно, первая копия любого отдельного члена — тупик: у неё нет комплементарных партнёров, и нет замкнутого каталитического цикла, чтобы преимущественно её амплифицировать.

Богатый ГЦ квазивид поставляет сырьё

Квазивид — это не одна последовательность, а мутационно связанное облако родственных последовательностей, распределённых вокруг доминирующей, мастер-подобной последовательности. В богатом ГЦ пуле это облако необычайно богато. Каждая дополнительная Г–Ц пара вносит третью водородную связь, поэтому богатые ГЦ стебли плавятся при более высокой температуре, укладываются надёжнее и выдерживают больше точечных мутаций до того, как их вторичная структура разрушится. Таким образом, резервуар сочетает сразу две вещи, необходимые для проблемы зарождения: высокое локальное разнообразие вариантов с изменёнными петлями, стеблями и поверхностной геометрией, и достаточную структурную стабильность, чтобы отдельные варианты оставались функциональными достаточно долго, чтобы отбор мог их проверить.

Мутации исследуют сопряжение, отбор его сохраняет

Именно мутационное исследование фактически перебирает пространство взаимодействий. Точечная замена может изменить форму шпильки, обнажить новую связывающую поверхность или привлечь каталитический центр, зависящий от ионов металла, изменяя коэффициент слабого сопряжения который описывает, насколько сильно член i способствует репликации или катализу члена j. Большинство таких вариантов нейтральны или вредны. Иногда один слабо помогает соседней матрице, и эффект усиливается, потому что он наследуемый: вариант копируется и продолжает помогать. Отбор на этой стадии действует уже не только на собственную скорость репликации матрицы. Он действует на сопряжение: вариант обогащается, когда суммарный эффект его взаимодействий увеличивает производство других матриц в пуле. Взаимные пары получают двойное преимущество, поскольку каждый партнёр теперь повышает выход другого.

От квазивидовой организации к гиперциклической организации

По мере накопления связей распределение мутантов меняет форму. Разнообразие больше не распределено вокруг одной мастер-последовательности; оно конденсируется к небольшому подмножеству взаимно каталитических матриц, и замыкание кольца происходит только тогда, когда связей достаточно, чтобы сеть была замкнутой, а не просто открытой или разветвлённой. До замыкания ансамбль ведёт себя как квазивид с некоторыми коррелированными вариантами. После замыкания рост кооперативен и супераддитивен: цикл размножается как единое целое, и поскольку каждый член питает следующий, сопряжённое множество может превзойти изолированный квазивид, конкурирующий за те же мономеры и репликазу. Так гиперцикл мог появиться без какого-либо предсуществующего многогенного генома — путём рекрутирования и интеграции мутантных генов, уже присутствующих в богатом ГЦ резервуаре. Лежащий в основе анализ неподвижных точек для двухкомпонентного случая выражает ту же мысль в форме коэффициентов скоростей: закончится ли пара конкурентным исключением, отбором одного члена или устойчивым гиперциклическим сосуществованием, зависит только от относительных величин самоусиления и взаимного усиления, и критерий обобщается на трёхкомпонентные и n-компонентные циклы.

Когда путь не удаётся

• Точность репликации должна оставаться выше порога ошибок. Если скорость мутаций слишком высока, резервуар растворяется в диффузном облаке, в котором ни один вариант не сохраняется достаточно долго, чтобы установить связь.
• Функциональная совместимость имеет значение: члены не должны деструктивно мешать укладке или катализу друг друга, иначе накапливающиеся связи взаимно гасятся, а не усиливаются.
• Паразитная нагрузка должна оставаться низкой. Эгоистичная матрица, которая эффективно реплицируется благодаря зарождающемуся циклу, но ничего не катализирует обратно, истощает общие ресурсы и может дестабилизировать сеть до её замыкания.

Разобранный пример. В пуле РНК, богатом GC, доминирующая последовательность типа GGC/GCC и её мутанты образуют квазивид. Мутант может слабо помогать репликации соседней последовательности, и отбор сохраняет обоих партнёров, поскольку их совместный выход превышает то, что каждый достигает в одиночку. Дальнейшие мутации порождают взаимную помощь, недостающая ветвь заполняется, и замыкается цикл из двух или более членов. После замыкания гиперциклический рост вытесняет изолированный квазивид, который его породил.