Статья программы BILM (Bioelectric Integrity of Living Matter — «Биоэлектрическая целостность живой материи»)

Саморепликация — условие эволюции: порог ошибок, парадокс Эйгена и нерешённые задачи

Москвин С. Л., директор АНО ДО «Инноватор», Москва

Препринт, не проходил рецензирование · Версия 1 · CC BY 4.0 · Программа BILM

Аннотация. Обзор посвящён саморепликации как условию эволюции и служит опорой для ссылок в других работах программы. Он опирается на описанное в литературе; наши собственные рассуждения отмечены в тексте ярлыком «Наше рассуждение». Разведены три понятия, которые обиходная речь смешивает: автокатализ, матричная репликация и размножение. Изложены требования фон Неймана к самовоспроизводящейся системе и порог ошибок Эйгена в полной форме: без точного фермента-копировщика длина сохраняемой последовательности не больше ln σ / μ, где μ — частота ошибок на звено, а σ — во сколько раз безошибочная копия размножается быстрее ошибочных. При копировании нуклеиновых кислот без ферментов (по опыту на модельной системе из ДНК) это от десятка до двухсот звеньев, тогда как для кодирования точного фермента обычно нужна более длинная последовательность. Это несоответствие — парадокс Эйгена — остаётся одним из главных нерешённых разрывов; происхождение жизни затронуто кратко, со ссылкой на отдельную работу программы.

Перечислены способы, которыми живое воспроизводит себя, — от копирования ДНК и деления клетки до полового размножения. Половой процесс, по-видимому, был уже у общего предка клеток с ядром, то есть раньше многоклеточности у организмов с ядром; бактериальная многоклеточность, по-видимому, старше и обходится без пола. Был ли общий предок животных гермафродитом, читается двояко, и названо, что позволило бы выбрать. Изложены условия отбора по Левонтину, главные эволюционные переходы, половая линия и старение, нерешённые задачи; отдельно сказано, что из саморепликации не следуют ни разнообразие видов, ни направленность эволюции.

Ключевые слова: саморепликация, автокатализ, матричная репликация, фон Нейман, порог ошибок, парадокс Эйгена, автокаталитические множества, деление клетки, бесполое размножение, партеногенез, мейоз, оплодотворение, гермафродитизм, изогамия, половая линия, старение, главные эволюционные переходы

Введение

Работы программы. Слово «программа» здесь означает серию работ автора — программу BILM (Bioelectric Integrity of Living Matter — «Биоэлектрическая целостность живой материи») — о том, что такое жизнь, как она возникла и как устроена. Работы цитируются так: 2026a — что такое «я» (самость как биологическое напряжение); 2026b — как жизненный опыт организма становится изменчивостью; 2026d — от колонии к организму; 2026e — возникновение живого; 2026f — что такое жизнь (сводная работа программы). Настоящая работа — 2026c. Отдельно цитируется более ранняя опубликованная работа автора — саморепликация как универсальный принцип: логистическая динамика и автокатализ в космологии и в живых системах [1]. Выходные данные и общие DOI — в списке литературы.

Место в программе. По определению программы жизнь есть саморепликация систем, каждая из которых удерживает собственное биологическое напряжение: себя воспроизводит линия потомков, а напряжение держит каждая единица [2]. Биологическое напряжение здесь — разность ионов (например, протонов) по обе стороны замкнутой границы, например клеточной мембраны, которую система оплачивает затратой энергии: пока оплата идёт, разность держится, а когда оплату остановить, она начинает спадать; равновесная (доннановская) разность, не требующая оплаты, напряжением не считается. Саморепликация, следовательно, шире жизни: РНК в пробирке копируется (с помощью фермента или рибозима, раздел 5), но жизнью по устоявшемуся словоупотреблению не является. Настоящий обзор разбирает саморепликацию саму по себе — без требования напряжения.

Зачем нужен обзор. Саморепликация занимает в объяснении живого особое место: без неё нет наследственности, без наследственности нет накопительного отбора, а без накопительного отбора нет эволюции в дарвиновском смысле. Взятое в такой общности, это утверждение близко к тавтологии, и обзор начинает с того, чтобы отделить в нём содержательную часть от определения.

Работа задумана как справочная и служит опорой для ссылок в других работах программы, где саморепликация упоминается, но не разбирается. Поэтому изложение ведётся по понятиям, количественным границам и описанным способам воспроизведения, а не по гипотезам. Где данные допускают два прочтения, названы оба и назван факт, который позволил бы выбрать между ними. Собственные рассуждения отмечены ярлыком «Наше рассуждение».

Как устроена работа. Читателю, которому нужна только суть, достаточно разделов 1–3 и выводов; остальные разделы справочные. Раздел 1 разводит три понятия. Разделы 2–5 излагают логические требования, количественную границу, коллективный автокатализ и состояние экспериментов. Раздел 6 кратко касается происхождения первой репликации. Раздел 7 перечисляет способы, которыми живое воспроизводит себя. Раздел 8 разбирает, когда появился пол и был ли общий предок животных гермафродитом. Раздел 9 — что саморепликация даёт эволюции, раздел 10 — условие автокаталитичности и его связь с отбором. Раздел 11 — чего из саморепликации не следует, раздел 12 — как меняется уровень репликации. Раздел 13 — половая линия, тело и старение. Раздел 14 — нерешённые задачи. Раздел 15 — чего саморепликация не объясняет. Раздел 16 — предшественники.

1. Три разные вещи, называемые одним словом

Обиходная речь называет саморепликацией по меньшей мере три различных явления, и их смешение порождает многие недоразумения.

Автокатализ. Реакция, продукт которой ускоряет собственное образование. Простейший случай: A + B → 2A, где A катализирует превращение B в A. Здесь копируется вещество, но не форма: в простейшем случае молекулы A тождественны друг другу, и последовательности, которая могла бы различаться между экземплярами и наследоваться, в системе нет. Наследуемые состояния при автокатализе всё же бывают, но простые и немногочисленные: в автокатализе Соаи (раздел 6) передаётся преобладающая зеркальная форма продукта — один бит; у прионов наследуется форма свёртки белка, и различающиеся штаммы прионов передаются дальше [3]. Одиночный автокатализатор даёт рост количества, но не даёт наследственности матричного типа, а потому, по-видимому, и неограниченной накопительной эволюции, которой нужно много независимо наследуемых изменений (о наследственности коллективных автокаталитических множеств, которая существует, но ограничена, — раздел 4).

Матричная репликация. Молекула служит шаблоном, по которому строится её копия, причём копируется последовательность — порядок разнородных звеньев. Здесь появляется наследуемая изменчивость: изменение при копировании даёт вариант, который сам копируется далее. Это минимальное условие дарвиновской эволюции на молекулярном уровне.

Размножение. Воспроизводство целой системы — клетки, организма, — включающее копирование описания, построение тела по нему и разделение. Размножение предполагает матричную репликацию, но к ней не сводится: нужно ещё построить то, что будет копировать.

Различение существенно потому, что требования к трём явлениям различны: автокатализ, полученный в опыте, ещё не репликация, а репликация ещё не размножение.

2. Логические требования: фон Нейман

Задачу самовоспроизведения в её логической форме поставил и решил фон Нейман; его лекции конца 1940-х годов изданы посмертно [4].

Самовоспроизводящаяся система у фон Неймана состоит из четырёх частей: конструктора, способного построить объект по данному описанию; копировщика, переносящего описание в построенную копию; управляющего блока, который их переключает; и описания всей этой системы.

Существенно не число частей, а то, что из схемы следует. Описание используется двумя разными способами. Конструктор его читает — выполняет как инструкцию. Копировщик его копирует — переносит, не интерпретируя, безразлично к содержанию. Один и тот же носитель должен допускать оба режима, причём копирование обязано быть слепым: если бы копировщик интерпретировал описание, ему потребовалось бы собственное описание, и возник бы бесконечный регресс.

Фон Нейман отказался от схемы «система строит свою копию, разглядывая саму себя»: такой системе, по его рассуждению, понадобилась бы полная модель самой себя. Позднее Лэйнг показал на моделях автоматов, что воспроизведение через осмотр самого себя возможно и без такой модели [5]. Поэтому разделение на слепое копирование и читающее исполнение — решение, найденное фон Нейманом и реализованное в биологии, но не единственно возможное логически.

Биология это разделение реализует: ДНК копируется полимеразой — ферментом, который собирает новую цепь по матрице безразлично к смыслу последовательности, — а прочитанная с неё РНК переводится рибосомой в белок (трансляция), и рибосома последовательность именно читает. Схема фон Неймана была сформулирована раньше, чем стали известны строение ДНК и механизм трансляции.

Следствие для происхождения жизни. Требуется не просто молекула, умеющая копироваться, а носитель, допускающий два режима использования, и механизм, связывающий их. Эта связь — между копируемым описанием и катализом, который по нему строится, — и есть то место, где объяснение происхождения жизни сегодня обрывается.

3. Количественная граница: порог ошибок

Второй основополагающий результат количественный; он принадлежит Эйгену [6].

Пусть каждое звено копируется с вероятностью ошибки μ (на одно звено за одно копирование). Вероятность безошибочного копирования последовательности длины L равна примерно (1 − μ)^L. Критерий Эйгена — не в том, что эта вероятность становится мала, а в сравнении темпов: исходная («мастер-») последовательность сохраняется, пока её преимущество в скорости воспроизводства над облаком вариантов (его называют квазивидом) перевешивает потерю копий из-за ошибок. Критическая длина:

L_max ≈ ln σ / μ, где σ — превосходство исходной последовательности над вариантами в скорости воспроизводства. Формула выведена для одного высокого пика приспособленности (одна «лучшая» последовательность, все остальные одинаково хуже), для показательного роста и малой μ; на пологом ландшафте и при ином росте предел иной.

Проще говоря: чем чаще ошибки, тем короче последовательность, которую можно сохранить, и чем больше преимущество безошибочной копии, тем длиннее. При большей длине информация размывается: исходная последовательность перестаёт воспроизводиться быстрее, чем расходится в облако вариантов. Поскольку ln σ обычно от одной до нескольких единиц (σ — от трёх до сотни), предел по порядку величины равен обратной частоте ошибок 1/μ; это грубое правило часто приводят вместо полной формы, но в этой работе мы пользуемся полной формой.

Оценки получаются жёсткими. Для копирования нуклеиновых кислот без ферментов частота ошибок, по оценкам, порядка 10⁻²–10⁻¹ [7]. У авторов это модельная система из ДНК, а не РНК: ошибаются в среднем около 8 % звеньев, а в последовательности только из G и C — около 1 %. При σ от трёх до десяти это даёт предельную длину от десятка до двухсот звеньев. У полимераз без исправления ошибок μ порядка 10⁻⁴–10⁻⁶, что даёт от десяти тысяч до миллиона звеньев и больше. Если полимераза сама исправляет ошибки, μ порядка 10⁻⁷–10⁻⁸ на звено (по данным обзора, для бактерий и бактериофагов без починки неспаренных оснований) [8]. Починка (репарация) ДНК снижает частоту, по-видимому, ещё до порядка 10⁻⁹–10⁻¹⁰ на звено за деление клетки (оценка следует из постоянной Дрейка, см. ниже).

У микробов с ДНК-геномом на геном за одно копирование приходится примерно 0,003 изменения, и эта величина почти постоянна при разной длине генома [9]. У крупных геномов порог относится к той части генома, которую сохраняет отбор, а не ко всей длине.

Наше рассуждение. Произведение μ·L у такого генома (около 0,003) на два–три порядка меньше ln σ (от одного до пяти), то есть клеточные геномы лежат далеко от порога Эйгена. Мы полагаем, что порог ограничивает прежде всего безферментные и ранние системы. Постоянство 0,003 согласуется с порогом, но само по себе не доказывает, что порог его устанавливает.

Почему точность ограничена. Если правильная и неправильная пара оснований различаются только по энергии связывания на величину ΔΔG, доля ошибок не может быть ниже примерно exp(−ΔΔG/kT), где k — постоянная Больцмана, T — температура (для величин на моль — exp(−ΔΔG/RT), где R — газовая постоянная); для разности, например, в 2–4 ккал/моль при комнатной температуре это порядка 10⁻²–10⁻³. Одним из физических источников такого предела служат редкие таутомерные формы оснований, образующие «неправильную» пару, похожую по геометрии на правильную (раздел 14). Хопфилд и Нинио показали, что дальнейшее снижение доли ошибок возможно за счёт затраты энергии на дополнительную проверку — кинетическую корректуру: в простейшей схеме доля ошибок падает примерно до квадрата прежней, а платой служит энергия, расходуемая на проверку [10, 11].

Парадокс Эйгена. Без точного фермента-копировщика (репликазы) сохраняемая последовательность не может быть длиннее примерно двухсот звеньев, а при высокой частоте ошибок — всего десятка-другого. Но известные рибозимы-полимеразы с полезной точностью имели длину около двухсот звеньев, а самый короткий из известных нам (45 звеньев, раздел 5) ошибается примерно в 6 % звеньев. Для длинного генома нужен точный фермент, а для фермента — длинный геном. Этот замкнутый круг до сих пор не разорван.

Предложенные выходы таковы. Первый — гиперцикл: несколько коротких репликаторов, катализирующих копирование друг друга по кругу [12]; он уязвим для «паразитов» — молекул, которые пользуются помощью, но не помогают [13], а пространственная структура эту уязвимость снижает [14].

Второй выход — модель стохастического корректора, где отбор идёт на уровне отсеков с несколькими короткими репликаторами [15]. Третий выход — ослабленный порог: в известных рибозимах многие позиции переносят замены без потери функции [16] (тогда в формуле L — число позиций, замены в которых вредны, а не вся длина); кроме того, после неверно встроенного звена копирование без ферментов замедляется, и неверные копии отстают [7]. Ни один из выходов не признан решением; общее у них то, что они повышают σ или сокращают число звеньев, которые нужно защитить, а саму частоту ошибок μ не меняют.

4. Автокатализ без матрицы: коллективные множества

Существует иная линия объяснения, в которой наследственность возникает не у отдельной молекулы, а у множества молекул.

Кауфман показал, что в достаточно богатой смеси полимеров, где каждый способен катализировать образование некоторых других, с ростом разнообразия с высокой вероятностью возникает замкнутое множество, в котором каждая реакция катализируется каким-либо членом множества, а само множество воспроизводится из доступного сырья [17]. Такое множество называют коллективно автокаталитическим. Формальная теория таких множеств развита как теория RAF-множеств (от англ. «рефлексивно-автокаталитические и питаемые извне»): дан алгоритм их поиска в заданной сети реакций и численно исследованы условия их возникновения [18]; в комбинаторных моделях химической эволюции такие множества возникают с высокой вероятностью при достаточном числе видов молекул и достаточном уровне катализа [19]. В обмене веществ древних анаэробных бактерий и архей (ацетогенов и метаногенов) найдены автокаталитические сети из сотен реакций с общим ядром из 172 реакций, которому для работы достаточно небольших молекул-помощников и металлов [20].

Привлекательность подхода в том, что он не требует матричного копирования: воспроизводится состав системы, а не последовательность молекулы.

Возражение против него также известно: наследуемая изменчивость у такого множества ограничена [21]. Множество может существовать в нескольких устойчивых составах, и переходы между ними возможны, но число различимых наследуемых состояний несопоставимо с тем, которое даёт последовательность. Накопительный отбор, требующий накопления многих независимых изменений, на такой основе идёт плохо. Есть и второе прочтение: множество, распадающееся на подмножества, способные существовать по отдельности, в отсеках даёт ограниченную, но реальную способность к эволюции [22]. Выбрать между прочтениями позволил бы опыт с химической сетью, в которой такие подмножества наследуются и отбираются. Поэтому коллективный автокатализ обычно рассматривают как предшествующую стадию, а не замену матричной репликации, и вопрос о переходе от первой ко второй остаётся открытым наравне с парадоксом Эйгена.

5. Экспериментальное состояние вопроса

Что реально достигнуто, следует излагать с оговорками, поскольку сводки на этот счёт часто оптимистичны. Положение быстро меняется, поэтому ниже оно датировано.

Отбор вне клетки (1967). Первым дарвиновский отбор в пробирке показал опыт с РНК вируса и белковым ферментом-копировщиком: за серию пересевов отбирались всё более короткие и быстро копируемые молекулы [23]. Копирование здесь выполнял белок, а не сама РНК.

Химические саморепликаторы (с 1986). Первым матричным саморепликатором без ферментов был короткий фрагмент ДНК из шести звеньев [24]; затем были получены пептидный саморепликатор [25] и самовоспроизводящиеся волокна из синтетических макроциклов на основе коротких пептидов [26]. Число копий у коротких химических репликаторов растёт обычно медленнее показательного (параболически, примерно как квадрат времени), потому что копии слипаются с матрицей и мешают друг другу; при таком росте варианты, по моделям, как правило сосуществуют: отбор сильно ослаблен и не доводит до вытеснения одних вариантов другими [27].

Перекрёстная репликация (2009). Линкольн и Джойс получили систему рибозимов (молекул РНК, работающих как ферменты), воспроизводящуюся неограниченно долго без белков и других клеточных компонентов, в которой наблюдалась дарвиновская эволюция: в смеси вариантов возникали рекомбинантные ферменты, и наиболее приспособленные вытесняли остальных [28]. Ограничения существенны. Это перекрёстная репликация, а не копирование себя: два фермента, каждый из двух частей, катализируют сборку друг друга. Система требует постоянного притока готовых длинных частей, самопроизвольное образование которых в условиях ранней Земли не показано.

Цикл «репликация плюс отбор» на РНК (2024). Рибозим-полимеразу с повышенной точностью довели до того, что она размножает другой рибозим (молоткоголовый, режущий РНК) через синтез обеих цепей; потомки сохраняли функцию, и появлялись варианты, которые копировались легче и вытесняли остальных [29]. Сама полимераза при этом себя не копировала. Авторы подчёркивают решающую роль точности копирования: по их описанию, линия со старой, менее точной полимеразой теряла функцию, а линия с более точной полимеразой сохраняла информацию и улучшалась; это опытная иллюстрация порога ошибок.

Копирование кольцевой РНК (2022). Рибозим копирует кольцевую РНК «катящимся кольцом», давая продукты длиннее одного обхода кольца; молоткоголовый рибозим, синтезированный так, сам себя разрезает и снова замыкается в кольцо. Авторы заключают, что все шаги пути репликации, подобного пути вироидов (мельчайших возбудителей болезней растений — кольцевых РНК без белка), могут катализироваться одной РНК [30]. Прослежена и структурная эволюция рибозима-полимеразы в ходе направленной эволюции: у активного центра постепенно стабилизировался новый элемент строения [31].

Полимераза с зажимом (2021). Получен рибозим-полимераза, который держится за матрицу, копируя её подряд, как белковые полимеразы, и узнаёт на РНК стартовый участок — промотор [32]. Так появляется способ различать, какие матрицы копировать.

Малый рибозим, синтезирующий себя (2026). Получен рибозим-полимераза длиной 45 звеньев (QT45), работающий в слабощелочном эвтектическом льду (полузамёрзшей смеси воды и солей) на субстратах из трёх звеньев. Он синтезирует свою комплементарную (парную по правилу оснований) цепь с точностью 94,1 % на звено и, в отдельной реакции, на заданном наборе тринуклеотидов — копию самого себя; выход в обоих случаях около 0,2 % за 72 дня [33]. Это ослабляет представление о том, что полимеразная активность требует большой и сложной структуры. Но обе реакции пока идут порознь, а не в одном цикле, и выход мал.

Наше рассуждение (расчёт приблизительный). Точность 94,1 % означает частоту ошибок μ = 0,059 на звено; она измерена при синтезе комплементарной цепи из случайного набора триплетов, а при копировании самого рибозима на заданных субстратах может быть иной. Расчёт допускает два прочтения.

Первое прочтение: одно копирование цепи. По полной форме порога (раздел 3) безошибочных копий сорокапятизвенника получается 0,941⁴⁵ ≈ 6,5 %, и последовательность сохраняется, только если безошибочная копия размножается быстрее ошибочных примерно в пятнадцать раз и больше (σ ≥ 1/0,065). При σ ≈ 10 предел около сорока звеньев, при σ ≈ 100 — около восьмидесяти; грубое правило 1/μ дало бы около семнадцати. При таком счёте 45 звеньев в предел укладываются, если σ не меньше пятнадцати, и препятствием служит не длина фермента, а величина σ.

Второе прочтение: полный цикл. Чтобы получить потомка той же последовательности, нужно скопировать плюс-цепь в комплементарную минус-цепь, а её — обратно: два копирования подряд (обе реакции QT45 пока идут порознь). Тогда безошибочный потомок получается в доле 0,941⁹⁰ ≈ 0,4 %, нужное σ порядка двухсот сорока и больше, а предел вдвое ниже: около двадцати звеньев при σ ≈ 10 и около сорока при σ ≈ 100. При таком счёте 45 звеньев лежат выше предела, и мы полагаем, что противоречие раздела 3 здесь не снимается, а обостряется: нужное преимущество велико.

Оценка груба. Часть позиций рибозима может переносить замены [16], что ослабляет порог. Замедление копирования после ошибочного звена [7] повышает σ, но насколько, для QT45 не измерено. Порог выведен для показательного роста, а у химических репликаторов рост обычно медленнее (раздел 5); выход QT45 около 0,2 % за 72 дня, так что σ здесь определено нечётко. Наконец, порог относится к сохранению последовательности за много циклов, которых QT45 ещё не проходил. Поэтому сравнение показывает масштаб разрыва, но не решает вопрос. Выбрать между прочтениями позволило бы измерение доли работающих копий QT45 после нескольких циклов копирования, проведённых в одной реакции через обе цепи.

Субстратная независимость. Сообщалось, что саморепликаторы возникают самопроизвольно в случайных программах на нескольких вычислительных субстратах — без заданного ландшафта приспособленности (то есть без заранее заданной оценки, какой вариант лучше), за счёт взаимодействия программ; там же приведён контрпример: на одном минималистичном языке репликаторы возможны, но пока не наблюдались [34]. Работа на момент написания существует только как препринт.

Наше рассуждение. В опубликованной работе программы саморепликация рассматривается как принцип, действующий независимо от субстрата [1]. Мы считаем, что это утверждение стоит разделить на два. Что репликация возможна в субстратах разной природы, включая нехимические, — согласуется с литературой; из химии: полимеры с иным остовом, чем у ДНК и РНК, копируются и эволюционируют в опыте [35]. Что лёгкость её возникновения от субстрата не зависит — утверждение отдельное, нами не обоснованное, и приведённый контрпример говорит против него. Точная форма: саморепликация возникает в субстратах разной природы, но лёгкость возникновения есть свойство субстрата. В этом виде утверждение опровержимо.

Итог на 2026 год. Дарвиновский отбор в молекулярной системе воспроизведён — сначала с белковым ферментом [23], затем на одних рибозимах [28]; рибозим-полимераза размножила другую РНК с отбором (2024), но себя в том же цикле не копировала; самоподдерживающейся репликации из простого сырья пока нет.

6. Откуда взялась первая репликация — кратко

Как возник первый самовоспроизводящийся объект, неизвестно. Две основные линии объяснения таковы. По первой, сначала появились молекулы РНК, способные и хранить последовательность, и катализировать, — «мир РНК» [36]; разделы 3 и 5 — её количественная граница и её опыты. По второй, сначала появились автокаталитические сети обмена веществ, а информационные молекулы — позже (раздел 4). Решающего опыта для выбора между ними пока нет. Открыты также вопросы о том, как репликатор оказался в отсеке, отделённом от среды, и почему живое использует только одну зеркальную форму аминокислот и сахаров. Автокатализ, сопряжённый с подавлением противоположной формы, даёт такую однородность в модели [37] и в опыте с небиологической молекулой [38]; а смесь двух зеркальных форм мешает матричному копированию [39]. Происхождение жизни разбирается в отдельной работе программы [40]; здесь оно затронуто только там, где нужно для понятий саморепликации.

7. Как живое воспроизводит себя: от молекулы до организма

Ниже перечислены описанные способы воспроизведения — от копирования молекулы до размножения многоклеточного организма. Во всех них копируется описание (ДНК) и строится тело; различаются они тем, что делится и как.

Копирование ДНК. Двойная спираль ДНК копируется полуконсервативно: каждая из двух цепей служит матрицей, и каждая дочерняя молекула несёт одну старую и одну новую цепь. Это показали Мезельсон и Сталь, метя ДНК бактерий тяжёлым азотом и прослеживая плотность молекул в следующих поколениях [41].

Деление клетки. Бактерия удваивает хромосому и делится пополам; у кишечной палочки в месте будущей перетяжки собирается кольцо из белка FtsZ [42]. Есть и более простой способ: бактерии без клеточной стенки (L-формы) делятся без FtsZ — усиленный синтез мембраны создаёт избыток поверхности над объёмом, клетка деформируется и отшнуровывает части [43]. Авторы рассматривают это как примитивный способ деления. Делиться могут и модели протоклеток без всяких белков: пузырьки из жирных кислот растут, поглощая новый материал, вытягиваются в нити и распадаются на дочерние пузырьки при слабом механическом воздействии [44].

Деление митохондрий и хлоропластов. Митохондрии и хлоропласты, происходящие от вселившихся бактерий [45], сами делятся внутри клетки, но наследуются только вместе с ней (раздел 12). По определению программы это живые единицы, но не организмы: большинство их белков записано в ядре клетки, а живая единица, по основному прочтению, возникает только делением себе подобной (или происходит из линии, возникающей делением) [2, раздел 4.6]. Есть и второе прочтение: по схеме фон Неймана (раздел 2) система воспроизводится, если несёт описание себя целиком, а у органелл оно разделено между их геномом и ядром; решающий случай — гидрогеносома, органелла без своего генома (там же).

Бесполое размножение. Новая особь возникает из части родителя без оплодотворения: почкованием (гидра; у одноклеточных — дрожжи), фрагментацией — делением тела на части, каждая из которых достраивает недостающее (плоские черви), бесполыми спорами (у многих грибов), вегетативными частями (побеги, корневища, клубни растений). Споры мхов и папоротников образуются при мейозе и входят в половой цикл со сменой поколений (ниже). Потомство при бесполом размножении повторяет запись родителя (последовательность его ДНК), за вычетом изменений, возникших при копировании.

Развитие без оплодотворения (партеногенез). Зародыш развивается из яйцеклетки без участия сперматозоида. У варанов с острова Комодо в зоопарках детёныши появились у двух самок, содержавшихся без самцов; генетический анализ показал, что потомство происходит только от матери [46].

Бделлоидные коловратки долго считались древней группой, живущей вовсе без полового процесса: строение генома Adineta vaga сочли несовместимым с обычным мейозом (делением, при котором образуются половые клетки, — ниже) [47]. Позднее у того же вида в природной популяции нашли следы обмена участками ДНК между особями [48], а сборка генома до уровня хромосом показала пары гомологичных (сходных по составу генов) хромосом и следы рекомбинации между ними [49]; у другого вида, Macrotrachella quadricornifera, распределение вариантов генов между особями указывает на половой процесс [50]. Здесь два прочтения. По первому, мейоза у коловраток нет совсем, а следы обмена возникают иным путём. По второму, у них есть необычный мейоз или редкий половой процесс. Выбрать позволило бы прямое наблюдение мейоза и слияния половых клеток у коловраток.

Половое размножение. Две половые клетки с одинарным набором хромосом сливаются при оплодотворении в одну клетку с двойным набором; одинарный набор возникает при мейозе — делении, в котором хромосомы родителей перемешиваются и число их уменьшается вдвое. Потомок получает новую комбинацию родительских записей. У растений, многих водорослей и немногих грибов поколение с одинарным набором и поколение с двойным сменяют друг друга как разные многоклеточные формы — смена поколений.

Что размножением не является. Конъюгация бактерий — перенос части ДНК от одной клетки к другой; она перемешивает записи, но не увеличивает число клеток [51]. Вирус копируется только внутри клетки-хозяина, её ферментами и на её сырье. Здесь два прочтения: по первому, вирус вне клетки инертен и сам по себе не воспроизводится; по второму, живая форма вируса — заражённая клетка, «вироклетка», которая и производит новые вирусные частицы [52]. Выбор между ними зависит прежде всего от принятого определения живого. При определении, принятом в программе, назван и решающий факт: держит ли заражённая клетка напряжение средствами, которые строит вирус, или только средствами хозяина [2, раздел 4.4].

Наше рассуждение. Во всех перечисленных способах есть общее звено — матричное копирование описания (раздел 1), а различается то, что вокруг него: строится ли новое тело из части старого, из одной клетки или из слияния двух. Это перечень описанных способов, а не новая классификация.

8. Когда появился пол и был ли общий предок животных гермафродитом

Слова. Гермафродит — организм половой: у одной особи есть органы, производящие оба рода половых клеток (или она производит их поочерёдно). Бесполое размножение — размножение без оплодотворения (раздел 7); партеногенез обычно относят к бесполому, хотя у части видов яйцеклетка образуется через мейоз, а двойной набор хромосом восстанавливается внутри одной особи, например слиянием клеток, полученных при мейозе (автомиксис). Не следует путать два вопроса: гермафродитизм противопоставлен раздельнополости, а бесполое размножение — половому.

Что измерено и как это толкуют: пол старше многоклеточности у организмов с ядром. По данным сравнения геномов и прямых наблюдений, половой процесс широко распространён среди клеток с ядром и, по-видимому, уже был у их последнего общего предка; многие формы, считавшиеся бесполыми, несут гены, нужные для мейоза и слияния клеток [53]. Обзоры происхождения полового размножения исходят из того же: пол, как считают, возник один раз — у общего предка всех клеток с ядром [54]. Многоклеточные с ядром — животные, растения, грибы, многоклеточные водоросли — появились позже и, по-видимому, уже имели половой процесс.

Но многоклеточность возникала многократно, и не только у организмов с ядром: у цианобактерий она, по оценке по молекулярным часам (по числу накопленных различий в ДНК), возникла раньше 2,4 млрд лет назад, к началу накопления кислорода в атмосфере [55], то есть, по-видимому, раньше клеток с ядром; а полового процесса в смысле мейоза и слияния клеток у бактерий нет (обмен участками ДНК у них есть, раздел 7). Поэтому «пол старше многоклеточности» верно только для многоклеточных с ядром.

Первые половые клетки, по-видимому, были одинаковыми. Организмы, у которых половые клетки различаются по размеру (крупная яйцеклетка, мелкий сперматозоид), по-видимому, происходят от предков с одинаковыми половыми клетками (изогамия); поскольку мужской пол по определению производит мелкие половые клетки, вопрос о происхождении мужского и женского пола совпадает с вопросом о переходе от одинаковых половых клеток к разным [56]. Этот переход объясняют разрывающим отбором (отбором против средних вариантов), выгодным для очень мелких и очень крупных половых клеток одновременно [57]. При изогамии полов в этом смысле нет, есть типы спаривания — одинаковые на вид клетки, сливающиеся только с клеткой другого типа.

Растения. Реконструкция по признакам цветков почти восьмисот видов показывает, что исходный цветок цветковых растений был обоеполым, а однополые цветки возникали многократно и независимо [58]. Цветковые растения, однако, возникли поздно, когда многоклеточность существовала уже давно, и о первых многоклеточных эта реконструкция ничего не говорит.

Животные: что измерено. Реконструкция полового устройства по всему древу животных даёт разный ответ в зависимости от метода. По методу наименьшего числа переходов общий предок животных — гермафродит; по вероятностному методу ответ неопределённый, с небольшим перевесом раздельнополости (51–54 %), а при равных длинах ветвей тот же метод даёт гермафродита; внутри двусторонне-симметричных животных (почти всех животных, кроме губок, гребневиков, пластинчатых и стрекающих) предки, по вероятностному методу, раздельнополы [59].

Переходы от раздельнополости к гермафродитизму в истории животных происходили чаще, чем обратные [59]. В модели, где раздельнополость рассматривается как специализация, повышающая концентрацию сперматозоидов при оплодотворении в воде, она возникает из гермафродитизма там, где такая концентрация выгодна [60].

Животные: два прочтения. По первому, общий предок животных был гермафродитом, а раздельнополость возникла позже. По второму, он был раздельнополым, а гермафродитизм у губок и других ранних ветвей возник вторично. Выбрать позволила бы реконструкция, которая даёт один и тот же ответ при любом методе и при любом надёжно установленном порядке ветвления ранних групп (губки, гребневики, пластинчатые, стрекающие). Пока такой реконструкции нет.

Наше рассуждение. Что общий предок животных был гермафродитом — одно из двух прочтений в литературе: такой ответ даёт реконструкция по методу наименьшего числа переходов [59]; о первых многоклеточных вообще эта реконструкция ничего не говорит. Уточним слова: гермафродиты — организмы половые, а у многоклеточных с ядром бесполое размножение существует наряду с половым, а не до него; у бактерий многоклеточность была и без пола.

9. Что саморепликация даёт эволюции

Условия, при которых естественный отбор ведёт к эволюции, Левонтин сформулировал в виде трёх требований [61]: особи в популяции различаются по признакам; разные варианты признаков дают разную выживаемость и плодовитость; между родителями и потомками есть связь по вкладу в следующие поколения, то есть приспособленность наследуется.

В этих трёх условиях саморепликация фигурирует прежде всего в третьем — как механизм, обеспечивающий связь между родителем и потомком. Отсюда видно, чем она служит эволюции: различий в приспособленности она не создаёт, а изменчивость даёт лишь своей неточностью — изменения возникают при самом копировании, а также под воздействиями на организм (это разобрано в отдельной работе программы [62]). Главное же, что она даёт, — наследование: она превращает разовое различие в различие, передающееся дальше.

Без наследования отбор не исчезает — он становится ненакопительным. Система, в которой удачные варианты возникают, но не наследуются, перебирает варианты заново в каждом поколении и не может накопить сложность, требующую многих последовательных улучшений. Поэтому саморепликация есть условие эволюции, а не её частный механизм.

Как сказано во введении, утверждение «без саморепликации не было бы эволюции» в общей форме близко к тавтологии, поскольку наследуемость входит в определение естественного отбора. Содержательным оно становится только в конкретных формах — какова минимальная точность копирования, какой уровень организации реплицируется, сколько наследуемых состояний требуется для данной сложности. Этими формами обзор и занимается.

10. Условие автокаталитичности и его связь с отбором

В опубликованной работе программы предложено количественное условие, при котором рост системы приобретает саморепликативный характер: скорость воспроизводства должна отвечать на увеличение количества сильнее, чем растут потери [1]. Если записать изменение количества как разность воспроизводства и потерь, условие требует, чтобы производная воспроизводства по количеству превышала производную потерь вблизи рассматриваемого состояния, например вблизи малого количества, где рост начинается; при большом количестве потери обычно растут быстрее, и рост останавливается. По форме оно, насколько мы можем судить, совпадает с классическим условием неустойчивости автокаталитической петли; в теории неравновесных систем с такой неустойчивости начинается самоорганизация, хотя для возникновения диссипативной структуры (упорядоченного состояния, поддерживаемого постоянным притоком энергии и вещества) её одной недостаточно [63]; в теории Эйгена ему отвечает требование, чтобы воспроизводство последовательности превышало её распад [6]. Порог ошибок раздела 3 — то же требование для исходной последовательности, если к потерям отнести уход копий в ошибочные варианты: доля безошибочных копий, умноженная на преимущество σ, должна оставаться больше единицы.

Наше рассуждение. Условие касается устойчивости состояния автокаталитического цикла — нарастает малое отклонение от него или затухает — и само по себе ничего не говорит ни о том, где рост остановится (для этого нужно ограничение, например нехватка сырья), ни о наследуемости: система может устойчиво расти без наследственности (одиночный автокатализ, раздел 1) и может обладать наследственностью без роста. Условия Левонтина и условие автокаталитичности различны, хотя и не вполне независимы. Во-первых, от того, как растёт число копий, зависит исход отбора: при показательном росте идёт отбор наиболее приспособленного; при росте медленнее показательного варианты, как правило, сосуществуют, и отбор ослаблен (раздел 5) [27]; при росте быстрее показательного, как у взаимно катализирующих друг друга репликаторов гиперцикла, отбор жёстче [12]. Само условие автокаталитичности этих случаев не различает. Во-вторых, для эволюции нужен не рост как таковой, а воспроизводство, не уступающее потерям: в проточной системе Эйгена (сырьё постоянно подаётся, лишнее постоянно удаляется) отбор идёт и при постоянной численности [6]. Сопоставление приводится как часть обзора, а не как новый результат.

11. Разнообразие видов: что следует и что не следует

Из саморепликации с изменениями при копировании следует существование наследуемых вариантов. Из существования вариантов и различия их приспособленности в разных условиях следует расхождение популяций. Из расхождения при репродуктивной изоляции следует видообразование.

Но из саморепликации самой по себе ничто из перечисленного не следует, и это стоит сказать отчётливо, поскольку обратное утверждение встречается часто. Разнообразие требует, сверх репликации, по меньшей мере: ненулевой частоты изменений при копировании (идеальный репликатор вариантов не порождает); разнородности среды или иных причин расхождения — изолированные популяции расходятся и в одинаковой среде за счёт разных случайно возникших изменений [64]; достаточного размера популяции и времени.

Не следует из саморепликации и направленность эволюции — ни к сложности, ни к совершенству. Отбор локален и цели не имеет; рост сложности в одних линиях совместим с её падением в других. Рост средней сложности по биосфере читается двояко. По первому прочтению, он пассивен: ниже наименьшей сложности опуститься нельзя, поэтому разброс растёт только вверх [65]. По второму, он результат отбора, направленного к сложности. Выбрать позволило бы то, как меняется наименьшая сложность в линиях: при пассивном росте она не растёт [66].

12. Уровни репликации и главные переходы

Саморепликация происходит не на одном уровне. Реплицируются молекулы, гены, клетки, организмы, в некоторых случаях — группы. Какой уровень считать единицей отбора, — предмет давнего обсуждения [61].

Для программы существенна формулировка Сатмари и Мэйнарда Смита: главные эволюционные переходы суть изменения в том, что именно реплицируется и как хранится и передаётся информация [67]. Переходы от реплицирующихся молекул к хромосомам, от клеток без ядра к клеткам с ядром, от одиночных клеток к многоклеточным, от особей к колониям с неразмножающимися кастами — это переходы индивидуальности: прежде независимо реплицировавшиеся единицы становятся частью новой, реплицирующейся как целое, и утрачивают способность размножаться самостоятельно [68]. К другим переходам списка — возникновению генетического кода, пола и языка — этот признак не относится, и West et al. предлагают не считать их переходами индивидуальности.

Это даёт признак, общий для переходов индивидуальности: прежние единицы теряют независимую репликацию. Клетка многоклеточного животного с обособленной половой линией делится, но в следующее поколение попадает только через неё; митохондрия реплицируется, но наследуется только с клеткой. Переход, по мнению West et al., можно считать состоявшимся, когда конфликт между уровнями подавлен и воспроизводство идёт как целое. Мы полагаем, что этот признак применим к вопросу о границе между колонией и организмом, разобранному в смежной работе программы [69].

13. Половая линия и тело: почему тело стареет

Что принято. Вейсман развёл половые клетки, линия которых непрерывно тянется от поколения к поколению, и клетки тела, которые в следующее поколение не переходят [70]. Строго говоря, непрерывна линия всех клеток, а не только половых: каждая клетка происходит от клетки. Половые клетки, обособленные от тела рано, есть у части животных; у растений, а среди животных — у губок, стрекающих и многих других, они образуются из клеток тела во взрослом организме [71, 72]. Тело у большинства изученных видов стареет, но есть виды с пренебрежимо малым старением, например гидра [73].

Как это объясняют. Почему отбор не поддержал нестареющую особь, объясняют по-разному. По Медавару, отбор слабеет с возрастом: вредные изменения, проявляющиеся поздно, когда большинство особей уже погибло от внешних причин, отбором почти не удаляются и накапливаются [74]. По Уильямсу, одни и те же гены могут давать выгоду в молодости и вред в старости, и отбор поддерживает их ради ранней выгоды [75]. По Кирквуду, организм распределяет ограниченные ресурсы между размножением и поддержанием тела, и выгоднее вкладываться в размножение, чем в бесконечную починку тела, которое всё равно погибнет от внешних причин [76]. Эти объяснения не исключают друг друга; соотношение их вкладов остаётся предметом обсуждения.

Наше рассуждение. Для темы саморепликации существенно, что бессмертна в этом смысле не особь, а копируемое описание вместе с линией клеток, которая его переносит. Тело — способ построить следующую копию, и отбор оценивает его по успеху этого построения.

14. Нерешённые задачи

Минимальная клетка. Синтетическая бактерия JCVI-syn3.0 с геномом из 473 генов делится; 149 из этих генов имеют неизвестную биологическую функцию, что, по словам авторов, указывает на неоткрытые функции, необходимые для жизни [77]. Клетки syn3.0 при делении получаются неправильной формы; нормальное деление вернули, добавив семь генов, среди них ftsZ [78]. Собрать делящуюся клетку удаётся, но назначение почти трети её генов на момент публикации было неизвестно.

Почему млекопитающему нужны оба родителя. У млекопитающих часть генов работает по-разному в зависимости от того, от матери или от отца получена копия (геномный импринтинг), и зародыш только с материнскими или только с отцовскими наборами без вмешательства не развивается. Генетическое вмешательство позволяет обойти этот запрет: мышь из яйцеклетки с двумя материнскими наборами, в одном из которых удалён участок гена H19, развилась до взрослой плодовитой особи [79]. Мыши от двух отцов при удалении семи участков с импринтингом рождались, но вскоре погибали [80]; при изменении двадцати таких участков часть их дожила до взрослого возраста, хотя доля выживших, по данным авторов, невелика [81]. Другой путь — яйцеклетки, полученные из клеток самца, которые после оплодотворения дали потомство [82]. Почему эволюция сделала материнские и отцовские копии неравноценными, объясняют прежде всего конфликтом интересов родительских генов за ресурсы матери [83]; проверки этого объяснения в масштабе всей системы импринтинга, насколько нам известно, нет.

Зачем нужен пол. Половое размножение дорого: в раздельнополой популяции самцы сами потомства не рожают, и бесполая самка при прочих равных оставляет вдвое больше внуков — «двойная цена пола» [84]. Предложенных выгод несколько. По Вейсману, пол поставляет отбору новые сочетания [70]. По Фишеру и Мёллеру, он позволяет соединить в одной линии полезные изменения, возникшие у разных особей [85, 86, 87]. Без перемешивания вредные изменения в конечной популяции накапливаются необратимо — «храповик Мёллера» [88]; по Кондрашову, пол облегчает удаление многих вредных изменений сразу [89]. Пол помогает поспевать за паразитами, которые сами быстро меняются, — гипотеза «Красной королевы»; название взято из закона Ван Валена о вымирании [90]; паразитарную гипотезу пола развил Гамильтон, а название «Красной королевы» к ней, по-видимому, применил Белл [91, 92]. Ни одна гипотеза не победила; по обзорам, работают, по-видимому, несколько сразу, и соотношение их вкладов неизвестно [93].

Чего стоит воспроизведение: термодинамика. Самовоспроизведение неизбежно производит энтропию; Ингланд вывел нижнюю границу тепла, выделяемого самореплицирующейся системой в контакте с термостатом, и показал, что она зависит от скорости роста репликатора, его внутренней энтропии и долговечности [94]. Растут по шаблону и кристаллы; на этом построена гипотеза о глинах как первых носителях наследственности [95].

Наше рассуждение. Закона, из которого выводилось бы, когда химическая система начнёт копировать себя, насколько нам известно, нет; граница Ингланда говорит о цене репликации, а не о том, когда она возникает.

Квантовый слой. Уотсон и Крик предположили, что редкие формы оснований (таутомеры, у которых протон сидит не на обычном месте) могут давать ошибки копирования [96]. Лёвдин предложил, что такой перенос протона идёт туннелированием — квантовым переходом сквозь энергетический барьер, без его преодоления по энергии [97]. Измерено: в неправильной паре G·T найдены короткоживущие формы — редкая таутомерная и ионизованная, — по геометрии похожие на правильную пару, и их доля согласуется с частотой ошибочного встраивания [98]; измерение показывает, что такие формы существуют и могут вести к ошибке, но не говорит, как они образуются. Только рассчитано: вклад туннелирования в правильной паре G·C, который, по расчёту, ускоряет перенос протона на несколько порядков по сравнению с переходом через барьер [99]. Здесь два прочтения: таутомеры возникают в основном туннелированием или в основном обычным тепловым переходом, а туннелирование — лишь поправка. Выбрать позволил бы опыт с заменой водорода на дейтерий: заметное изменение частоты ошибок (изотопный эффект) говорило бы в пользу туннелирования; опыта именно такого вида для ошибок копирования мы не знаем. Подробнее это разобрано в работе программы об изменчивости [62, раздел 1].

15. Чего саморепликация не объясняет

Сводя ограничения в одно место:

• Собственного происхождения. Переход от химии к первому репликатору не описан; парадокс Эйгена (раздел 3) не разрешён.
• Связи описания с катализом. Требование фон Неймана о двух режимах обращения с описанием (раздел 2) указывает, что нужно, и не указывает, как это возникло.
• Направленности. Ни к сложности, ни к совершенству (раздел 11).
• Разнообразия самого по себе. Нужны изменения при копировании, причины расхождения, популяция и время (раздел 11).
• Границы системы. Репликация предполагает, что есть что-то, отделённое от среды. По одной точке зрения, отсек предшествует репликации; по другой (хемотон Ганти, раздел 16), отсек, обмен веществ и репликация возникают сопряжённо. В настоящем обзоре вопрос не разбирается; ему посвящена работа программы о возникновении живого [40].
• Назначения пола. Почему живое так часто размножается половым путём, несмотря на его цену, не решено (раздел 14).
• Общности. Все описанные в обзоре способы воспроизведения, числа и опыты получены на одной ветви жизни, возникшей на Земле, по-видимому, один раз. Чтобы сказать, общие ли это закономерности или свойства земной ветви, нужен независимый образец жизни.

16. Предшественники

Шрёдингер поставил вопрос о том, как физика может объяснить устойчивое копирование наследственного вещества, и предположил «апериодический кристалл» как его носитель, объясняя устойчивость гена дискретностью квантовых состояний молекулы и опираясь на работу Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка [100, 101]. Фон Нейман дал логическую схему самовоспроизведения (раздел 2) [4]. Ганти предложил модель хемотона — минимальной системы из трёх сопряжённых самовоспроизводящихся подсистем: обмена веществ, матричной репликации и мембраны [102]. Эйген дал количественную границу (раздел 3) [6], а с Шустером — гиперцикл [12]. Николис и Пригожин описали самоорганизацию в неравновесных системах, к которой относится условие раздела 10 [63]. Сатмари и Мэйнард Смит описали эволюцию как смену уровней репликации (раздел 12) [67]. Настоящий обзор их излагает и ничего существенного к ним не прибавляет; собственные рассуждения отмечены в тексте ярлыком «Наше рассуждение».

Заключение

Саморепликация даёт эволюции прежде всего наследование, а изменчивость — лишь за счёт неточности копирования; живое воспроизводит себя многими способами, и во всех известных способах есть общее звено — слепое копирование описания и построение тела по нему. Главный нерешённый вопрос лежит в парадоксе Эйгена и требовании фон Неймана: неизвестно, как возникла пара «копируемое описание — катализ, строящийся по нему» (состояние на 2026 год).

Выводы

1. Автокатализ, матричная репликация и размножение — разные явления с разными требованиями; показанное для одного не означает показанного для другого.
2. Самовоспроизводящаяся система по фон Нейману требует описания, которое слепо копируется и читается как инструкция [4]; биология реализует это разделением копирования ДНК и трансляции. Это решение не единственно возможное логически [5].
3. Без точного фермента-копировщика длина сохраняемой последовательности не больше ln σ / μ, где μ — частота ошибок на звено, а σ — преимущество безошибочной копии в скорости размножения [6]; при копировании нуклеиновых кислот без ферментов (по опыту на модельной системе из ДНК) это от десятка до двухсот звеньев [7]. Парадокс Эйгена — для длинного генома нужен точный фермент, для фермента нужен длинный геном — не разрешён; снижение ошибок ниже энергетического предела требует затрат энергии [10].
4. Коллективно автокаталитические множества дают воспроизводство без матрицы [17, 18], но наследуемых состояний у них мало [21].
5. Дарвиновский отбор в молекулярной системе воспроизведён [23, 28, 29]; самоподдерживающаяся репликация из простого сырья — нет (на 2026 год) [33].
6. Живое воспроизводит себя копированием ДНК, делением клетки (в том числе без белка FtsZ), почкованием, фрагментацией, бесполыми спорами, вегетативно, без оплодотворения и половым путём; конъюгация бактерий размножением не является, а статус вирусов зависит от определения живого.
7. Половой процесс, по-видимому, был уже у общего предка клеток с ядром, то есть раньше многоклеточности у организмов с ядром; бактериальная многоклеточность, по-видимому, старше и обходится без пола [53, 55]. Первые половые клетки, по-видимому, были одинаковыми по размеру [56]. Гермафродит — организм половой.
8. Исходный цветок цветковых растений, по реконструкции, обоеполый [58], но к первым многоклеточным это не относится; для общего предка животных реконструкция зависит от метода и читается двояко [59].
9. В трёх условиях отбора [61] саморепликация обеспечивает прежде всего наследование; без неё отбор становится ненакопительным, а не исчезает. Для отбора нужен не рост, а воспроизводство, не уступающее потерям; при росте медленнее показательного отбор ослаблен [27].
10. Из саморепликации самой по себе не следуют ни разнообразие видов, ни направленность эволюции.
11. Переходы индивидуальности — смены уровня репликации, при которых прежние единицы утрачивают независимое воспроизводство [67, 68].
12. Нерешёнными остаются назначение генов минимальной клетки [77], причина неравноценности родительских копий у млекопитающих, назначение полового размножения [93] и физический закон, из которого выводилось бы возникновение репликации.

Цитируемая литература

[1] Москвин С. Л. Саморепликация как универсальный принцип: логистическая динамика и автокатализ в космологии и в живых системах. Zenodo, 2026. Общий DOI всех версий: 10.5281/zenodo.21762123

[2] Москвин С. Л. Что такое жизнь? Проверяемое определение: саморепликация систем, которые сами держат свой мембранный потенциал. Версия 3. Zenodo, 2026. Общий DOI всех версий: 10.5281/zenodo.21779018

[3] Collinge J., Clarke A.R. A general model of prion strains and their pathogenicity // Science. 2007. Vol. 318, no. 5852. P. 930–936. DOI: 10.1126/science.1138718

[4] von Neumann J. Theory of Self-Reproducing Automata / ed. A.W. Burks. Urbana: University of Illinois Press, 1966.

[5] Laing R. Automaton models of reproduction by self-inspection // Journal of Theoretical Biology. 1977. Vol. 66, no. 3. P. 437–456. DOI: 10.1016/0022-5193(77)90294-6

[6] Eigen M. Selforganization of matter and the evolution of biological macromolecules // Naturwissenschaften. 1971. Vol. 58, no. 10. P. 465–523. DOI: 10.1007/BF00623322

[7] Rajamani S., Ichida J.K., Antal T., Treco D.A., Leu K., Nowak M.A., Szostak J.W., Chen I.A. Effect of stalling after mismatches on the error catastrophe in nonenzymatic nucleic acid replication // Journal of the American Chemical Society. 2010. Vol. 132, no. 16. P. 5880–5885. DOI: 10.1021/ja100780p

[8] Kunkel T.A. DNA replication fidelity // Journal of Biological Chemistry. 2004. Vol. 279, no. 17. P. 16895–16898. DOI: 10.1074/jbc.R400006200

[9] Drake J.W. A constant rate of spontaneous mutation in DNA-based microbes // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 1991. Vol. 88, no. 16. P. 7160–7164. DOI: 10.1073/pnas.88.16.7160

[10] Hopfield J.J. Kinetic proofreading: a new mechanism for reducing errors in biosynthetic processes requiring high specificity // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 1974. Vol. 71, no. 10. P. 4135–4139. DOI: 10.1073/pnas.71.10.4135

[11] Ninio J. Kinetic amplification of enzyme discrimination // Biochimie. 1975. Vol. 57, no. 5. P. 587–595. DOI: 10.1016/S0300-9084(75)80139-8

[12] Eigen M., Schuster P. A principle of natural self-organization. Part A: Emergence of the hypercycle // Naturwissenschaften. 1977. Vol. 64, no. 11. P. 541–565. DOI: 10.1007/BF00450633

[13] Maynard Smith J. Hypercycles and the origin of life // Nature. 1979. Vol. 280. P. 445–446. DOI: 10.1038/280445a0

[14] Boerlijst M.C., Hogeweg P. Spiral wave structure in pre-biotic evolution: hypercycles stable against parasites // Physica D: Nonlinear Phenomena. 1991. Vol. 48, no. 1. P. 17–28. DOI: 10.1016/0167-2789(91)90049-F

[15] Szathmáry E., Demeter L. Group selection of early replicators and the origin of life // Journal of Theoretical Biology. 1987. Vol. 128, no. 4. P. 463–486. DOI: 10.1016/S0022-5193(87)80191-1

[16] Kun Á., Santos M., Szathmáry E. Real ribozymes suggest a relaxed error threshold // Nature Genetics. 2005. Vol. 37, no. 9. P. 1008–1011. DOI: 10.1038/ng1621

[17] Kauffman S.A. Autocatalytic sets of proteins // Journal of Theoretical Biology. 1986. Vol. 119, no. 1. P. 1–24. DOI: 10.1016/S0022-5193(86)80047-9

[18] Hordijk W., Steel M. Detecting autocatalytic, self-sustaining sets in chemical reaction systems // Journal of Theoretical Biology. 2004. Vol. 227, no. 4. P. 451–461. DOI: 10.1016/j.jtbi.2003.11.020

[19] Hordijk W., Steel M., Kauffman S.A. Autocatalytic sets arising in a combinatorial model of chemical evolution // Life. 2022. Vol. 12, no. 11. Art. 1703. DOI: 10.3390/life12111703

[20] Xavier J.C., Hordijk W., Kauffman S., Steel M., Martin W.F. Autocatalytic chemical networks at the origin of metabolism // Proceedings of the Royal Society B. 2020. Vol. 287, no. 1922. Art. 20192377. DOI: 10.1098/rspb.2019.2377

[21] Vasas V., Szathmáry E., Santos M. Lack of evolvability in self-sustaining autocatalytic networks constraints metabolism-first scenarios for the origin of life // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2010. Vol. 107, no. 4. P. 1470–1475. DOI: 10.1073/pnas.0912628107

[22] Vasas V., Fernando C., Santos M., Kauffman S., Szathmáry E. Evolution before genes // Biology Direct. 2012. Vol. 7. Art. 1. DOI: 10.1186/1745-6150-7-1

[23] Mills D.R., Peterson R.L., Spiegelman S. An extracellular Darwinian experiment with a self-duplicating nucleic acid molecule // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 1967. Vol. 58, no. 1. P. 217–224. DOI: 10.1073/pnas.58.1.217

[24] von Kiedrowski G. A self-replicating hexadeoxynucleotide // Angewandte Chemie International Edition in English. 1986. Vol. 25, no. 10. P. 932–935. DOI: 10.1002/anie.198609322

[25] Lee D.H., Granja J.R., Martinez J.A., Severin K., Ghadiri M.R. A self-replicating peptide // Nature. 1996. Vol. 382. P. 525–528. DOI: 10.1038/382525a0

[26] Carnall J.M.A., Waudby C.A., Belenguer A.M., Stuart M.C.A. et al. Mechanosensitive self-replication driven by self-organization // Science. 2010. Vol. 327, no. 5972. P. 1502–1506. DOI: 10.1126/science.1182767

[27] Szathmáry E., Gladkih I. Sub-exponential growth and coexistence of non-enzymatically replicating templates // Journal of Theoretical Biology. 1989. Vol. 138, no. 1. P. 55–58. DOI: 10.1016/S0022-5193(89)80177-8

[28] Lincoln T.A., Joyce G.F. Self-sustained replication of an RNA enzyme // Science. 2009. Vol. 323, no. 5918. P. 1229–1232. DOI: 10.1126/science.1167856

[29] Papastavrou N., Horning D.P., Joyce G.F. RNA-catalyzed evolution of catalytic RNA // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2024. Vol. 121, no. 11. Art. e2321592121. DOI: 10.1073/pnas.2321592121

[30] Kristoffersen E.L., Burman M., Noy A., Holliger P. Rolling circle RNA synthesis catalysed by RNA // eLife. 2022. Vol. 11. Art. e75186. DOI: 10.7554/eLife.75186

[31] Portillo X., Huang Y.-T., Breaker R.R., Horning D.P., Joyce G.F. Witnessing the structural evolution of an RNA enzyme // eLife. 2021. Vol. 10. Art. e71557. DOI: 10.7554/eLife.71557

[32] Cojocaru R., Unrau P.J. Processive RNA polymerization and promoter recognition in an RNA World // Science. 2021. Vol. 371, no. 6535. P. 1225–1232. DOI: 10.1126/science.abd9191

[33] Gianni E., Kwok S.L.Y., Wan C.J.K., Goeij K., Clifton B.E., Colizzi E.S., Attwater J., Holliger P. A small polymerase ribozyme that can synthesize itself and its complementary strand // Science. 2026. Vol. 391, no. 6789. P. 1022–1028. DOI: 10.1126/science.adt2760

[34] Agüera y Arcas B., Alakuijala J., Evans J., Laurie B., Mordvintsev A., Niklasson E., Randazzo E., Versari L. Computational life: how well-formed, self-replicating programs emerge from simple interaction. arXiv:2406.19108, 2024 (препринт).

[35] Pinheiro V.B., Taylor A.I., Cozens C., Abramov M., Renders M., Zhang S., Chaput J.C., Wengel J., Peak-Chew S.-Y., McLaughlin S.H., Herdewijn P., Holliger P. Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution // Science. 2012. Vol. 336, no. 6079. P. 341–344. DOI: 10.1126/science.1217622

[36] Gilbert W. Origin of life: the RNA world // Nature. 1986. Vol. 319. P. 618. DOI: 10.1038/319618a0

[37] Frank F.C. On spontaneous asymmetric synthesis // Biochimica et Biophysica Acta. 1953. Vol. 11. P. 459–463. DOI: 10.1016/0006-3002(53)90082-1

[38] Soai K., Shibata T., Morioka H., Choji K. Asymmetric autocatalysis and amplification of enantiomeric excess of a chiral molecule // Nature. 1995. Vol. 378. P. 767–768. DOI: 10.1038/378767a0

[39] Joyce G.F., Visser G.M., van Boeckel C.A.A., van Boom J.H., Orgel L.E., van Westrenen J. Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G) // Nature. 1984. Vol. 310. P. 602–604. DOI: 10.1038/310602a0

[40] Москвин С. Л. Происхождение жизни: пять ступеней от химии к первой клетке и что их на самом деле ограничивает. Версия 4. Zenodo, 2026. Общий DOI всех версий: 10.5281/zenodo.21761285

[41] Meselson M., Stahl F.W. The replication of DNA in Escherichia coli // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 1958. Vol. 44, no. 7. P. 671–682. DOI: 10.1073/pnas.44.7.671

[42] Bi E., Lutkenhaus J. FtsZ ring structure associated with division in Escherichia coli // Nature. 1991. Vol. 354. P. 161–164. DOI: 10.1038/354161a0

[43] Mercier R., Kawai Y., Errington J. Excess membrane synthesis drives a primitive mode of cell proliferation // Cell. 2013. Vol. 152, no. 5. P. 997–1007. DOI: 10.1016/j.cell.2013.01.043

[44] Zhu T.F., Szostak J.W. Coupled growth and division of model protocell membranes // Journal of the American Chemical Society. 2009. Vol. 131, no. 15. P. 5705–5713. DOI: 10.1021/ja900919c

[45] Sagan L. On the origin of mitosing cells // Journal of Theoretical Biology. 1967. Vol. 14, no. 3. P. 225–274. DOI: 10.1016/0022-5193(67)90079-3 (автор — Л. Маргулис, подписана фамилией Sagan)

[46] Watts P.C., Buley K.R., Sanderson S., Boardman W., Ciofi C., Gibson R. Parthenogenesis in Komodo dragons // Nature. 2006. Vol. 444. P. 1021–1022. DOI: 10.1038/4441021a

[47] Flot J.-F., Hespeels B., Li X. et al. Genomic evidence for ameiotic evolution in the bdelloid rotifer Adineta vaga // Nature. 2013. Vol. 500, no. 7463. P. 453–457. DOI: 10.1038/nature12326

[48] Vakhrusheva O.A., Mnatsakanova E.A., Galimov Y.R., Neretina T.V. et al. Genomic signatures of recombination in a natural population of the bdelloid rotifer Adineta vaga // Nature Communications. 2020. Vol. 11. Art. 6421. DOI: 10.1038/s41467-020-19614-y

[49] Simion P. et al. Chromosome-level genome assembly reveals homologous chromosomes and recombination in asexual rotifer Adineta vaga // Science Advances. 2021. Vol. 7, no. 41. Art. eabg4216. DOI: 10.1126/sciadv.abg4216

[50] Laine V.N., Sackton T.B., Meselson M. Genomic signature of sexual reproduction in the bdelloid rotifer Macrotrachella quadricornifera // Genetics. 2022. Vol. 220, no. 2. Art. iyab221. DOI: 10.1093/genetics/iyab221

[51] Lederberg J., Tatum E.L. Gene recombination in Escherichia coli // Nature. 1946. Vol. 158. P. 558. DOI: 10.1038/158558a0

[52] Forterre P. The virocell concept and environmental microbiology // The ISME Journal. 2013. Vol. 7, no. 2. P. 233–236. DOI: 10.1038/ismej.2012.110

[53] Speijer D., Lukeš J., Eliáš M. Sex is a ubiquitous, ancient, and inherent attribute of eukaryotic life // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2015. Vol. 112, no. 29. P. 8827–8834. DOI: 10.1073/pnas.1501725112

[54] Goodenough U., Heitman J. Origins of eukaryotic sexual reproduction // Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2014. Vol. 6, no. 3. Art. a016154. DOI: 10.1101/cshperspect.a016154

[55] Schirrmeister B.E., de Vos J.M., Antonelli A., Bagheri H.C. Evolution of multicellularity coincided with increased diversification of cyanobacteria and the Great Oxidation Event // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2013. Vol. 110, no. 5. P. 1791–1796. DOI: 10.1073/pnas.1209927110

[56] Lehtonen J., Kokko H., Parker G.A. What do isogamous organisms teach us about sex and the two sexes? // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2016. Vol. 371, no. 1706. Art. 20150532. DOI: 10.1098/rstb.2015.0532

[57] Parker G.A., Baker R.R., Smith V.G.F. The origin and evolution of gamete dimorphism and the male-female phenomenon // Journal of Theoretical Biology. 1972. Vol. 36, no. 3. P. 529–553. DOI: 10.1016/0022-5193(72)90007-0

[58] Sauquet H., von Balthazar M., Magallón S. et al. The ancestral flower of angiosperms and its early diversification // Nature Communications. 2017. Vol. 8. Art. 16047. DOI: 10.1038/ncomms16047

[59] Sasson D.A., Ryan J.F. A reconstruction of sexual modes throughout animal evolution // BMC Evolutionary Biology. 2017. Vol. 17. Art. 242. DOI: 10.1186/s12862-017-1071-3

[60] Iyer P., Roughgarden J. Dioecy as a specialization promoting sperm delivery // Evolutionary Ecology Research. 2008. Vol. 10. P. 867–892.

[61] Lewontin R.C. The units of selection // Annual Review of Ecology and Systematics. 1970. Vol. 1. P. 1–18. DOI: 10.1146/annurev.es.01.110170.000245

[62] Москвин С. Л. Может ли жизненный опыт менять мутации у потомков? Вопрос Ламарка, разобранный по звеньям. Zenodo, 2026 (в подготовке).

[63] Nicolis G., Prigogine I. Self-Organization in Nonequilibrium Systems: From Dissipative Structures to Order through Fluctuations. New York: Wiley, 1977.

[64] Schluter D. Evidence for ecological speciation and its alternative // Science. 2009. Vol. 323, no. 5915. P. 737–741. DOI: 10.1126/science.1160006

[65] Gould S.J. Full House: The Spread of Excellence from Plato to Darwin. New York: Harmony Books, 1996.

[66] McShea D.W. Mechanisms of large-scale evolutionary trends // Evolution. 1994. Vol. 48, no. 6. P. 1747–1763. DOI: 10.1111/j.1558-5646.1994.tb02211.x

[67] Szathmáry E., Maynard Smith J. The major evolutionary transitions // Nature. 1995. Vol. 374. P. 227–232. DOI: 10.1038/374227a0

[68] West S.A., Fisher R.M., Gardner A., Kiers E.T. Major evolutionary transitions in individuality // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2015. Vol. 112, no. 33. P. 10112–10119. DOI: 10.1073/pnas.1421402112

[69] Москвин С. Л. Эволюция многоклеточности: как биоэлектрическое сопряжение может распределять роли между клетками с одинаковыми генами. Версия 3. Zenodo, 2026. Общий DOI всех версий: 10.5281/zenodo.21772046

[70] Weismann A. Essays upon Heredity and Kindred Biological Problems. Oxford: Clarendon Press, 1889.

[71] Buss L.W. The Evolution of Individuality. Princeton: Princeton University Press, 1988.

[72] Extavour C.G., Akam M. Mechanisms of germ cell specification across the metazoans: epigenesis and preformation // Development. 2003. Vol. 130, no. 24. P. 5869–5884. DOI: 10.1242/dev.00804

[73] Jones O.R., Scheuerlein A., Salguero-Gómez R., Camarda C.G. et al. Diversity of ageing across the tree of life // Nature. 2014. Vol. 505, no. 7482. P. 169–173. DOI: 10.1038/nature12789

[74] Medawar P.B. An Unsolved Problem of Biology. London: H.K. Lewis, 1952.

[75] Williams G.C. Pleiotropy, natural selection, and the evolution of senescence // Evolution. 1957. Vol. 11, no. 4. P. 398–411. DOI: 10.1111/j.1558-5646.1957.tb02911.x

[76] Kirkwood T.B.L. Evolution of ageing // Nature. 1977. Vol. 270. P. 301–304. DOI: 10.1038/270301a0

[77] Hutchison C.A. III, Chuang R.-Y., Noskov V.N. et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome // Science. 2016. Vol. 351, no. 6280. Art. aad6253. DOI: 10.1126/science.aad6253

[78] Pelletier J.F., Sun L., Wise K.S. et al. Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell // Cell. 2021. Vol. 184, no. 9. P. 2430–2440. DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.008

[79] Kono T., Obata Y., Wu Q., Niwa K., Ono Y., Yamamoto Y., Park E.S., Seo J.-S., Ogawa H. Birth of parthenogenetic mice that can develop to adulthood // Nature. 2004. Vol. 428, no. 6985. P. 860–864. DOI: 10.1038/nature02402

[80] Li Z.-K., Wang L.-Y., Wang L.-B. et al. Generation of bimaternal and bipaternal mice from hypomethylated haploid ESCs with imprinting region deletions // Cell Stem Cell. 2018. Vol. 23, no. 5. P. 665–676. DOI: 10.1016/j.stem.2018.09.004

[81] Li Z.-K., Wang L.-B., Wang L.-Y. et al. Adult bi-paternal offspring generated through direct modification of imprinted genes in mammals // Cell Stem Cell. 2025. Vol. 32, no. 3. P. 361–374. DOI: 10.1016/j.stem.2025.01.005

[82] Murakami K., Hamazaki N., Hamada N. et al. Generation of functional oocytes from male mice in vitro // Nature. 2023. Vol. 615, no. 7954. P. 900–906. DOI: 10.1038/s41586-023-05834-x

[83] Moore T., Haig D. Genomic imprinting in mammalian development: a parental tug-of-war // Trends in Genetics. 1991. Vol. 7, no. 2. P. 45–49. DOI: 10.1016/0168-9525(91)90230-N

[84] Maynard Smith J. The Evolution of Sex. Cambridge: Cambridge University Press, 1978.

[85] Fisher R.A. The Genetical Theory of Natural Selection. Oxford: Clarendon Press, 1930.

[86] Muller H.J. Some genetic aspects of sex // American Naturalist. 1932. Vol. 66. P. 118–138. DOI: 10.1086/280418

[87] Felsenstein J. The evolutionary advantage of recombination // Genetics. 1974. Vol. 78, no. 2. P. 737–756. DOI: 10.1093/genetics/78.2.737

[88] Muller H.J. The relation of recombination to mutational advance // Mutation Research. 1964. Vol. 1, no. 1. P. 2–9. DOI: 10.1016/0027-5107(64)90047-8

[89] Kondrashov A.S. Deleterious mutations and the evolution of sexual reproduction // Nature. 1988. Vol. 336. P. 435–440. DOI: 10.1038/336435a0

[90] Van Valen L. A new evolutionary law // Evolutionary Theory. 1973. Vol. 1. P. 1–30.

[91] Hamilton W.D. Sex versus non-sex versus parasite // Oikos. 1980. Vol. 35, no. 2. P. 282–290. DOI: 10.2307/3544435

[92] Bell G. The Masterpiece of Nature: The Evolution and Genetics of Sexuality. Berkeley: University of California Press, 1982.

[93] Otto S.P. The evolutionary enigma of sex // American Naturalist. 2009. Vol. 174, suppl. 1. P. S1–S14. DOI: 10.1086/599084

[94] England J.L. Statistical physics of self-replication // Journal of Chemical Physics. 2013. Vol. 139, no. 12. Art. 121923. DOI: 10.1063/1.4818538

[95] Cairns-Smith A.G. Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life. Cambridge: Cambridge University Press, 1982.

[96] Watson J.D., Crick F.H.C. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid // Nature. 1953. Vol. 171. P. 964–967. DOI: 10.1038/171964b0

[97] Löwdin P.-O. Proton tunneling in DNA and its biological implications // Reviews of Modern Physics. 1963. Vol. 35, no. 3. P. 724–732. DOI: 10.1103/RevModPhys.35.724

[98] Kimsey I.J., Szymanski E.S., Zahurancik W.J., Shakya A., Xue Y., Chu C.-C., Sathyamoorthy B., Suo Z., Al-Hashimi H.M. Dynamic basis for dG•dT misincorporation via tautomerization and ionization // Nature. 2018. Vol. 554. P. 195–201. DOI: 10.1038/nature25487

[99] Slocombe L., Sacchi M., Al-Khalili J. An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA // Communications Physics. 2022. Vol. 5. Art. 109. DOI: 10.1038/s42005-022-00881-8

[100] Schrödinger E. What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell. Cambridge: Cambridge University Press, 1944.

[101] Timoféeff-Ressovsky N.W., Zimmer K.G., Delbrück M. Über die Natur der Genmutation und der Genstruktur // Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse, Fachgruppe VI. 1935. Bd. 1. S. 189–245.

[102] Gánti T. Organization of chemical reactions into dividing and metabolizing units: the chemotons // Biosystems. 1975. Vol. 7, no. 1. P. 15–21. DOI: 10.1016/0303-2647(75)90038-6