Nova Acta Leopoldina Band 110 Nummer 377

Nova Acta Leopoldina NF 110, Nr. 377, 167–211 (2011) Peter Schuster 200 Abb. 9 Eine Trajektorie der evolutionären Optimierung von RNA-Strukturen. Die oberste Abbildung zeigt den mitt- leren Strukturabstand einer Population von N = 1000 RNA-Molekülen von der vorgegebenen Zielstruktur als Funktion der Anzahl durchgeführter Replikationen (schwarz). Dieser Abstand wird als Hammingdistanz zwischen den als ‚Strings‘ von Zeichen (Symbolketten) kodierten Strukturen erhalten und nimmt mit zunehmender Fitness im Sinne einer geringeren Distanz von der Zielstruktur ab. Die Abnahme ist nicht kontinuierlich, sondern erfolgt in stark aus- geprägten Stufen. Die Kurve in der Mitte (grau) zeigt die Breite der Population im Sequenzraum, die Kurve in der unteren Abbildung stellt die Geschwindigkeit dar, mit welcher der Schwerpunkt der Population durch den Sequenz- raum driftet. Am Beginn einer jeden quasistationären Epoche der Evolution ist die Population schmal und breitet sich entlang des Fitnessplateaus laufend aus, bis sie am Ende des Plateaus kollapsartig schrumpft und wieder eine ähnliche Breite wie am Beginn der Epoche einnimmt. Die Erklärung des beobachteten Verhaltens ist einfach: Die Population vollzieht einen Diffusionsprozess auf einem neutralen Netzwerk, bis sie schließlich in einen Bereich kommt, von wo aus der Optimierungsprozess weiter fortgesetzt werden kann. Nach einer raschen Optimierungsphase, in welcher die Population ihrem Ziel näher kommt, ist ein Punkt erreicht, von dem aus keine weiteren Verbesserungen durch einzelne Mutationsschritte möglich sind, und die Diffusion beginnt von Neuem. Die Bewegung des Populationsschwerpunktes (unteres Bild) unterstützt diese Interpretation voll: Während der Ausbreitung am neutralen Netz ist nur eine sehr lang- same und zufällige Bewegung des Schwerpunktes bemerkbar, aber am Ende des Plateaus tritt in bemerkenswerter Synchronisation mit dem Kollaps der Population eine sprunghafte Verschiebung des Schwerpunktes ein: Durch Se-