Велич простоти: чому природа віддає перевагу симетрії

Здається, все живе прагне спрощення, а не ускладнення. І справа не в еволюції.

Життя буває різних форм і розмірів, але всі організми мають як мінімум одну спільну рису – симетрію.

Зверніть увагу, як ваша ліва половина відбиває праву, або як розташовані пелюстки квітки чи промені морської зірки. Така симетрія зберігається навіть на мікроскопічному рівні - у майже сферичній формі багатьох мікробів або в ідентичних субодиницях різних білків.

Велика кількість симетрії в біологічних формах змушує задуматися над тим, чи дають симетричні конструкції перевагу. Будь-який інженер дасть позитивну відповідь. Симетрія має вирішальне значення для проектування модульних, міцних деталей, які можна комбінувати для створення складніших конструкцій. Наприклад, конструктори Lego, з яких легко можна зібрати чи не все, що завгодно.

Однак, на відміну від інженера, еволюція не має дара передбачення. Деякі біологи вважають, що симетрія забезпечує негайну селективну перевагу. Але будь-яка адаптивна перевага симетрії сама по собі недостатня для пояснення широкого її поширення в біології як у великих, так і в малих масштабах.

На основі висновків з алгоритмічної теорії інформації дослідження, опубліковане в Proceedings of the Natural Academy of Sciences, передбачає існування неадаптивного пояснення.

Інформація та еволюція

Нуклеїнові кислоти та білки – це молекули, що несуть інформацію. Вони несуть інформацію як про побудову організму, так і про те, як і еволюціонував. Багато теоретиків називають інформацію валютою життя. Говорячи про інформацію та еволюцію, фізик Фрімен Дайсон припускає, що походження життя – це походження системи обробки інформації.

Точна передача інформації від покоління до іншого має вирішальне значення для безперервності життя, тоді як помилки у процесі (тобто мутації) необхідні еволюції. Чи визначає також інформація, які ознаки еволюціонують?

В теорії інформації складність по Колмогорову описує кількість обчислень для будь-якого опису. Наприклад, сценарій для додавання 2 + 2 має меншу складність за Колмогоровим, ніж програма перетворення тексту на мовлення. Метафорична мавпа, яка стукає по клавіатурі, зі значно більшою ймовірністю напише простий сценарій.

Аналогічним чином, еволюція швидше прийде до більш простих, ніж складніших характеристик. Автори заявили, що «оскільки симетричним структурам потрібно менше інформації для кодування, вони з більшою ймовірністю з'являться як потенційна варіація». Для перевірки гіпотези дослідники шукали симетрію у білкових комплексах, структурах РНК та генних мережах.

Простота симетрії

Білкові субодиниці приєднуються одна до одної через інтерфейсні поверхні, утворюючи складні структури. Чим більша кількість можливих інтерфейсів, тим складніший білок. Вивчивши існуючі структури Банку білкових структур, дослідники помітили, що в більшості білків мало інтерфейсів. В цілому, природа набагато частіше створює білки з низькою складністю та високою симетрією, ніж білки з високою складністю та низькою симетрією. Комп'ютерне моделювання дало аналогічний результат.

Автори також вивчили складність морфопростору РНК (тобто простору всіх можливих вторинних структур РНК). Їх моделювання показало зворотну залежність між складністю та частотою структур. Це відповідає результатам більш раннього дослідження, яке говорить, що природа працює лише з 1 зі 100 млн можливих фенотипів у морфопросторі РНК.

Потім дослідники вивчили прояв симетрії регуляторної мережі генів у дріжджів, що почкуються, популярного модельного організму. (Так, у мереж теж є форми.) За багато років вчені склали список диференціальних рівнянь, що описують клітинний цикл дріжджів. Дослідники змоделювали безліч фенотипів клітинного циклу, довільно змінюючи параметри рівнянь як непрямий показник генотипу. Ухил спостерігався у бік менш складних фенотипів. Реальний фенотип був менш складним, ніж усі змодельовані.

Еволюція як алгоритмічний процес

Модульність - ще одна важлива особливість біологічних систем, і, за аналогією з кубиками Lego, ощадливі організми часто використовують генетичні або біохімічні модулі для вирішення нових завдань. Існують різні теорії, чому еволюція вибирає модульні системи, а це дослідження свідчить, що головне пояснення — це простота модульних елементів. Нещодавні роботи інших дослідницьких груп також свідчать, що складні морфології зустрічаються рідко.

Чико Камарго, один із авторів дослідження, підкреслив у своєму Tweeter, що «божевілля полягає в тому, що все відбувається до вступу в гру природного відбору. Симетрія та простота утворюються не через природний відбір, а тому що еволюція — алгоритмічний процес».