Величието на простотата: Защо природата предпочита симетрията

Изглежда, че всички живи същества се стремят към опростяване във формите си на съществуване, а не към усложняване. И не става дума за еволюцията.

Животът съществува във всякакви форми и размери, но всички организми имат поне едно общо нещо: симетрията.

Забележете как лявата ви половина отразява дясната или как са подредени листенцата на цветето или лъчите на морската звезда. Тази симетрия продължава дори на микроскопично ниво и се проявява например в почти сферичната форма на много микроби, или в идентичните субединици на различните протеини.

Изобилието от симетрия в биологичните форми кара човек да се замисли дали симетричните конструкции осигуряват някакво преимущество. Всеки инженер ще ви отговори положително. Симетрията е от решаващо значение при проектирането на модулни, здрави детайли, които могат да се комбинират за създаване на по-сложни конструкции. Прекрасен пример в това отношение са конструкторите Лего, от които лесно можете да сглобите почти всичко.

Въпреки това, за разлика от инженера, еволюцията не притежава дарбата за предвидливост. Някои биолози смятат, че симетрията осигурява незабавно селективно предимство. Но всяка адаптивна полза от симетрията сама по себе си не е достатъчна, за да обясни широкото и използване в биологията, както в големи, така и в малки мащаби.

Базирайки се на изводите от теорията за алгоритмичната информация, ново изследване, резултатите от което са публикувани в Proceedings of the Natural Academy of Sciences, предполага съществуването на неадаптивно обяснение.

Информация и еволюция

Нуклеиновите киселини и протеините са молекули, носещи информация. Те съдържат информация не само за конструкцията на организма, но и за това как е еволюирал. Много теоретици наричат тази информация валутата на живота. Физикът Фрийман Дайсън предполага, че когато се говори за информация и еволюция, то произходът и развитието на живота могат да се тълкуват като произход и развитие на система за обработка на информацията.

Точното предаване на информацията от едно поколение на следващото е от решаващо значение за непрекъснатостта на живота, докато грешките в процеса (т.е. мутациите) са необходими за еволюцията. Но дали информацията определя кои черти да еволюират?

В теорията на информацията сложността на Колмогоров описва броя на изчисленията за всяко дадено описание. (Например, сценария за събиране на 2 + 2 има по-малка сложност по Колмогоров от програмата за преобразуването на текст в реч.) Една метафорична маймуна, удряща по клавиатурата, с много по-голяма вероятност ще напише прост сценарий.

По същия начин е по-вероятно еволюцията да стигне до по-прости, отколкото до по-сложни характеристики. Авторите на изследването заявяват, че:

“Тъй като симетричните структури изискват по-малко информация за кодиране, те с много по-голяма вероятност ще се появят като потенциална вариация.”

За да тестват хипотезата си , изследователите са търсели симетрия в протеинови комплекси, РНК структури и генни мрежи.

Простотата на симетрията

Протеиновите субединици се прикрепят една към друга чрез интерфейсни повърхности, образувайки сложни структури. Колкото по-голям е броят на възможните интерфейси, толкова по-сложен е протеинът. След изследване на съществуващите структури в Protein Data Bank, изследователите са забелязали, че повечето протеини имат малко интерфейси. Като цяло те установили, че природата създава протеини с ниска сложност и висока симетрия много по-често, отколкото протеини с висока сложност и ниска симетрия. Компютърната симулация показала аналогичен резултат.

Авторите изследвали също така сложността на морфопространството на РНК (т.е. пространството на всички възможни вторични структури на РНК). Тяхното моделиране показало обратна връзка между сложността и честотата на структурите. Това било в съответствие с резултатите от по-ранно иследване, в което се казва, че природата се занимава само с един на 100 милиона възможни фенотипа в РНК морфопространството.

След това изследователите изследвали проявата на симетрия в регулаторната мрежа от гени в пъпкуващи се дрожди, явяващи се популярен моделен организъм. (Да, мрежите също имат форми). Учените са съставили списък от диференциалните уравнения, описващи клетъчния цикъл на дрождите. Те са моделирали много фенотипове на клетъчния цикъл, произволно променяйки параметрите на уравненията в качеството на косвен показател на генотипа. Отклонение се наблюдавало не само към по-малко сложни фенотипове. Реалният фенотип се оказал по-малко сложен от всички симулирани.

Еволюцията като алгоритмичен процес

Модулността е друга важна характеристика на биологичните системи и подобно на Лего елементите, грижливите организми често използват генетични или биохимични модули за решаване на нови задачи. Има различни теории защо еволюцията избира модулни системи. В това изследване се предполага, че основното обяснение е простотата на модулните части. Неотдавнашни проучвания на други изследователски групи също показват, че сложните морфологии се срещат рядко.

Резюмирайки всичко това, един от авторите на изследването Чико Камарго е написал в своя Туитър:

„Лудостта се заключава в това, че всичко се случва преди естественият подбор да влезе в действие. Симетрията и простотата се формират не поради естествения подбор, а защото еволюцията е алгоритмичен процес.“

Източник