Величието на простотата: Защо природата предпочита симетрията

Изглежда, че всички живи същества се стремят към опростяване, а не към усложняване. И не става дума за еволюция. Животът има във всякакви форми и размери, но всички организми имат поне една обща черта: симетрия.

Забележете как лявата ви половина отразява дясната или как са подредени листенцата на цвете или пък лъчите на морска звезда. Тази симетрия продължава дори на микроскопично ниво, в почти сферичната форма на много микроби или в идентичните субединици на различни протеини.

Изобилието от симетрия в биологичните форми кара човек да се замисли над това дали симетричните дизайни осигуряват предимство. Всеки инженер би отговорил "Да!".

Симетрията е от решаващо значение за проектирането на модулни, здрави части, които могат да се комбинират за създаване на по-сложни дизайни.  И това е основополагащ принцип, който е вграден дори и в конструктори Лего, от които лесно можете да сглобите почти всичко.

За разлика от инженерите обаче, еволюцията не притежава дарбата на 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 ѝ разпространение в биологията, както в големи, така и в малки мащаби.

Въз основа на изводи от теорията на алгоритмичната информация, проучване, публикувано в Proceedings of the Natural Academy of Sciences, предполага съществуването на неадаптивно обяснение.

Информация и еволюция

Нуклеиновите киселини и протеините са молекули, които носят информация. Те носят информация не само за конструкцията на организма, но и за това как е еволюирал. Много теоретици наричат ​​тази информация "валутата на живота". Когато говори за информация и еволюция, физикът Фрийман Дайсън предполага, че произходът на живота всъщност е произход на системата за обработка на информация.

Точното предаване на информация от едно поколение на следващо е от решаващо значение за непрекъснатостта на живота, докато грешките в процеса (т.е. мутации) са необходими за еволюцията. Но, определя ли информацията и кои признаци еволюират?

В теорията на информацията т. нар. "алгоритмична сложност на Колмогоров" описва броя на изчисленията за всяко дадено описание. (Например, скрипт за събиране на 2 + 2 има по-малка сложност по Колмогоров от програма за синтез на реч.) В този смисъл "метафорична маймуна", която удря по клавиатурата, е много по-вероятно да напише прост скрипт.

По същия начин е по-вероятно еволюцията да стигне до по-прости, отколкото до по-сложни характеристики. Авторите смятат, че "тъй като симетричните структури изискват по-малко информация за кодиране, те са много по-склонни да изглеждат като потенциална вариация." За да тестват хипотезата, изследователите търсят симетрия в протеинови комплекси, РНК структури и генни мрежи.

Простотата на симетрията

Протеиновите субединици са прикрепени 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 Structure Bank, изследователите забелязали, че повечето протеини имат малко интерфейси. Тоест, като цяло природата създава протеини с ниска сложност и висока симетрия много по-често, отколкото протеини с висока сложност и ниска симетрия. Компютърната симулация даде подобен резултат.

Авторите също така изследвали сложността на орфопространството на РНК (б.р. пространството на всички възможни вторични структури на РНК). Тяхното моделиране показало обратна връзка между сложността и честотата на структурите. Това е в съответствие с резултатите от по-ранно проучване, което казва, че природата се занимава само с 1 на 100 милиона възможни фенотипа в РНК морфопространството.

След това изследователите изследвали експресията на симетрия в регулаторната мрежа от гени в пъпкуващи дрожди - популярен моделен организъм. (Да, мрежите също имат форми.) През годините учените са съставили списък от диференциални уравнения, които описват клетъчния цикъл на дрождите. Изследователите са моделирали много фенотипове на клетъчния цикъл чрез произволна промяна на параметрите на уравненията като заместител на генотипа. Отклонението се наблюдава не само към по-малко сложни фенотипове. Действителният фенотип се оказал по-малко сложен от всички симулирани.

Еволюцията като алгоритмичен процес

Модулността е друга важна характеристика на биологичните системи и подобно на Lego тухличките, слабите организми често използват генетични или биохимични модули за решаване на нови проблеми. Има различни теории защо еволюцията избира модулни системи, но това проучване предполага, че основното обяснение е простотата на модулните части. Скорошна работа на други изследователски групи също показва, че сложните морфологии са рядкост.

Чико Камарго, който е един от авторите на изследването, сподели в своя профил в Туитър, че „лудостта е 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: BIG THINK