Кіріспе
Эволюциялық биология мен популяциялық генетикада қателік шегі (немесе критикалық мутация деңгейі) – өздігінен көбейетін молекуланың мутация салдарынан келесі ұрпақтардағы ақпарат жойылмас бұрын болуы мүмкін негіз жұптарының санының лимиті. Қателік шегі "Эйгеннің парадоксын" түсіну үшін маңызды. Қателік шегі – өмірдің пайда болуы (абиогенез) тұжырымдамасы, әсіресе ДНК пайда болуға дейінгі өте ерте өмір кезеңдеріне қатысты. Алғашқы өздігінен көбейетін молекулалар РНК молекулалары сияқты шағын рибозимдер болған болуы мүмкін деп есептеледі. Бұл молекулалар негіз жұптары немесе "цифрлар" тізбектерінен тұрады, ал олардың реті молекуланың қоршаған ортамен қарым-қатынасын анықтайтын код болып табылады. Кез келген көбейту процесі мутациялық қателерге бейім. Көбейту кезінде әрбір цифрдің басқа цифрмен алмасуының белгілі бір ықтималдығы бар, бұл молекуланың қоршаған ортамен өзара әрекеттесуін өзгертеді және оның осы ортадағы жарамдылығын немесе көбейту қабілетін арттыруы немесе азайтуы мүмкін.
In evolutionary biology and population genetics, the error threshold (or critical mutation rate) is a limit on the number of base pairs a self replicating molecule may have before mutation will destroy the information in subsequent generations of the molecule. The error threshold is crucial to understanding "Eigen's paradox". The error threshold is a concept in the origins of life (abiogenesis), in particular of very early life, before the advent of DNA. It is postulated that the first self replicating molecules might have been small ribozyme like RNA molecules. These molecules consist of strings of base pairs or "digits", and their order is a code that directs how the molecule interacts with its environment. All replication is subject to mutation error. During the replication process, each digit has a certain probability of being replaced by some other digit, which changes the way the molecule interacts with its environment, and may increase or decrease its fitness, or ability to reproduce, in that environment.
Дене шынықтыру саласы
Манфред Эйген өзінің 1971 жылғы мақаласында (Eigen 1971) бұл мутация процесі молекуланың қанша цифрден тұруына шек қоятынын көрсетті. Егер молекула осы шекті өлшемнен асып кетсе, мутациялардың әсері басым болып, ақпаратты жоятын тез мутация процесі басталады. Қателік шегі молекулалардың "фитнес ландшафты" арқылы да реттеледі. Фитнес ландшафты биіктік (=фитнес) және қашықтық (=мутациялар саны) екі ұғыммен сипатталады. Ұқсас молекулалар бір-біріне "жақын" орналасқан, ал көбейе білуге қабілетті, басқалардан жақсырақ молекулалар ландшафтта "жоғары" орналасады. Егер белгілі бір тізбек және оның жанындағы тізбектердің фитнесі жоғары болса, олар квазитүрлерді құрайды және аз фитнес көршілері бар немесе фитнесі төмен көршілер тобы бар тізбектерге қарағанда ұзақ тізбектерді сақтап қалуға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, Вилке (Wilke 2005) қателік шегі тұжырымдамасы ландшафттың өлімге әкелетін мутациялар болатын бөліктерінде қолданылмайтынын атап өтті, онда туындаған мутация фитнестің нөлдік деңгейіне түсіреді және молекуланың көбейе беруіне кедерес жасайды.
Эйннің парадоксы
Эйгеннің парадоксы – өмірдің пайда болуын зерттеудегі ең шешілмейтін мәселелердің бірі. Жоғарыда сипатталған қателік шегі тұжырымы, өзін-өзі көбейтуге қабілетті молекулалардың мөлшерін шамамен бірнеше жүз цифрмен шектейді, бірақ Жердегі тіршіліктің барлық түрлері генетикалық ақпаратты кодтау үшін әлдеқайда ұзын молекулаларды қажет етеді. Бұл мәселе тірі жасушаларда мутацияларды түзетуге қабілетті ферменттер арқылы шешіледі, бұл кодтаушы молекулалардың миллиондаған негіз жұптарына жете алуына мүмкіндік береді. Әрине, осы ірі молекулалар оларды түзетуге қабілетті ферменттерді кодтауы керек, және осының өзінде Эйгеннің парадоксы жатыр, алғаш рет Манфред Эйген 1971 жылғы мақаласында (Eigen 1971) ұсынған. Қысқасы, Эйгеннің парадоксы мынадай: қателерді түзету ферменттері болмаса, көбейтілетін молекуланың максималды мөлшері шамамен 100 негіз жұбын құрайды. Көбейтілетін молекула қателерді түзету ферменттерін кодтау үшін 100 негізден әлдеқайда үлкен болуы керек. Бұл тауық пен жұмыртқаның парадоксына ұқсас, одан да қиын шешімі бар. Бірінші не пайда болды: үлкен геном ба, әлде қателерді түзету ферменттері ме? Осы парадоксқа бірнеше шешім ұсынылған:
Without error correction enzymes, the maximum size of a replicating molecule is about 100 base pairs. For a replicating molecule to encode error correction enzymes, it must be substantially larger than 100 bases. This is a chicken or egg kind of a paradox, with an even more difficult solution. Which came first, the large genome or the error correction enzymes? A number of solutions to this paradox have been proposed:
Stochastic corrector model (Szathmáry & Maynard Smith, 1995). In this proposed solution, a number of primitive molecules of say, two different types, are associated with each other in some way, perhaps by a capsule or "cell wall". If their reproductive success is enhanced by having, say, equal numbers in each cell, and reproduction occurs by division in which each of various types of molecules are randomly distributed among the "children", the process of selection will promote such equal representation in the cells, even though one of the molecules may have a selective advantage over the other. Relaxed error threshold (Kun et al., 2005) Studies of actual ribozymes indicate that the mutation rate can be substantially less than first expected on the order of 0.001 per base pair per replication. This may allow sequence lengths of the order of 7 8 thousand base pairs, sufficient to incorporate rudimentary error correction enzymes.
Стохастикалық түзетуші модель (Szathmáry & Maynard Smith, 1995). Бұл ұсынылған шешімде, мысалы, екі түрлі типтегі бірнеше бастапқы молекулалар, капсула немесе «жасуша қабырғасы» сияқты бір жолмен бір-бірімен байланысты. Егер олардың көбею сәттілігі, мысалы, әр жасушада тең санда болу арқылы арттырылса және көбею әртүрлі типтегі молекулалардың «балалар» арасында кездейсоқ таратылуы арқылы жүрсе, табиғи іріктеу процесі жасушаларда осындай тең өкілдікті ынталандырады, тіпті молекулалардың бірі екіншісіне қарағанда табиғи іріктелу артықшылығына ие болса да. Төмендетілген қателік шегі (Kun et al., 2005). Нақты рибозимдерді зерттеу көрсеткендей, мутация жылдамдығы алдымен күтілгеннен әлдеқайда төмен болуы мүмкін – репликация бойынша бір негіз жұбына шамамен 0,001. Бұл элементарлық қателерді түзету ферменттерін қосуға жеткілікті 7-8 мың негіз жұбынан тұратын тізбек ұзындығына мүмкіндік береді.
Without error correction enzymes, the maximum size of a replicating molecule is about 100 base pairs. For a replicating molecule to encode error correction enzymes, it must be substantially larger than 100 bases. This is a chicken or egg kind of a paradox, with an even more difficult solution. Which came first, the large genome or the error correction enzymes? A number of solutions to this paradox have been proposed:
Stochastic corrector model (Szathmáry & Maynard Smith, 1995). In this proposed solution, a number of primitive molecules of say, two different types, are associated with each other in some way, perhaps by a capsule or "cell wall". If their reproductive success is enhanced by having, say, equal numbers in each cell, and reproduction occurs by division in which each of various types of molecules are randomly distributed among the "children", the process of selection will promote such equal representation in the cells, even though one of the molecules may have a selective advantage over the other. Relaxed error threshold (Kun et al., 2005) Studies of actual ribozymes indicate that the mutation rate can be substantially less than first expected on the order of 0.001 per base pair per replication. This may allow sequence lengths of the order of 7 8 thousand base pairs, sufficient to incorporate rudimentary error correction enzymes.