Симметричные объекты менее сложны, чем несимметричные. Возможно, эволюция действует как алгоритм с уклоном в сторону простоты.
Ключевые выводы
- Жизнь отмечена симметричными структурами, от рук морской звезды до идентичных субъединиц различных белков. Почему так, не понятно.
- Одна из гипотез состоит в том, что симметричные структуры легче кодировать и, следовательно, они более склонны к эволюции.
- Возможно, эволюция действует как алгоритм с уклоном в сторону простоты.
Жизнь бывает разных форм и размеров, но все организмы обычно имеют по крайней мере одну общую черту: симметрию.
Обратите внимание, как ваша левая половина отражает правую или радиальное расположение лепестков цветка или рук морской звезды. Такая симметрия сохраняется даже на микроскопическом уровне, в почти сферической форме многих микробов или в идентичных субъединицах разных белков.
Обилие симметрии в биологических формах ставит вопрос о том, дает ли симметричный дизайн преимущество. Любой инженер скажет вам, что они делают. Симметрия имеет решающее значение для проектирования модульных, прочных деталей, которые можно комбинировать для создания более сложных структур. Подумайте о блоках Lego и о том, как их можно легко собрать, чтобы создать что угодно.
Однако, в отличие от инженера, эволюция не обладает даром предвидения. Некоторые биологи предполагают, что симметрия должна обеспечивать немедленное избирательное преимущество. Но любого адаптивного преимущества, которое может обеспечить симметрия, само по себе недостаточно, чтобы объяснить ее широкое распространение в биологии в больших и малых масштабах.
Теперь, основываясь на выводах теории алгоритмической информации, исследование, опубликованное в Proceedings of the Natural Academy of Sciences, предполагает, что этому может быть неадаптивное объяснение.
Информация и эволюция
Нуклеиновые кислоты и белки являются информационными молекулами. Они несут информацию не только о том, как построить организм, но и о том, как он эволюционировал. Многие теоретики называют информацию валютой жизни. Об информации и эволюции физик Фримен Дайсон сказал, что происхождение жизни - это происхождение системы обработки информации.
Верное воспроизведение информации от одного поколения к другому имеет решающее значение для непрерывности жизни, тогда как ошибки в процессе (то есть мутации) необходимы для развития жизни. Определяет ли информация, какие черты развиваются?
В теории информации колмогоровская сложность описывает, сколько вычислений требуется для описания чего-либо. (Скрипт для сложения 2 + 2, например, имеет меньшую колмогоровскую сложность, чем программа преобразования текста в речь.) Метафорическая обезьяна, стучащая по клавиатуре, с гораздо большей вероятностью напишет простой сценарий.
Точно так же эволюция, скорее всего, придумает более простые, чем более сложные черты. Авторы заявили, что «поскольку симметричным структурам требуется меньше информации для кодирования, они с гораздо большей вероятностью появятся в качестве потенциальной вариации». Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи искали симметрию в белковых комплексах, структурах РНК и генных сетях.
Простота симметрии
Белковые субъединицы прикрепляются друг к другу через интерфейсные поверхности, образуя сложные структуры. Чем больше количество возможных интерфейсов, тем сложнее белок. Когда исследователи изучили существующие структуры в банке данных белков, они заметили, что большинство белков имеют мало интерфейсов. В целом природа гораздо чаще производит белки с низкой сложностью и высокой симметрией, чем белки с высокой сложностью и низкой симметрией. Компьютерное моделирование дало аналогичный результат.
Исследователи также изучили сложность морфопространства РНК (то есть пространства всех возможных вторичных структур РНК). Их моделирование снова показало обратную зависимость между сложностью и частотой структур. Это соответствовало более раннему исследованию, которое показало, что природа работает только с 1 из 100 миллионов возможных фенотипов в морфопространстве РНК.
Далее исследователи изучили, проявляет ли симметрию сеть регуляции генов почкующихся дрожжей, популярного модельного организма. (Да, сети тоже имеют форму.) За прошедшие годы ученые составили список дифференциальных уравнений, описывающих клеточный цикл. Исследователи смоделировали многие фенотипы клеточного цикла, случайным образом изменив параметры этих уравнений в качестве показателя генотипа. Они заметили не только склонность к менее сложным фенотипам, но и реальный фенотип был менее сложным, чем все смоделированные.
Эволюция как алгоритмический процесс
Модульность - еще одна важная характеристика биологических систем, и, как и в случае с кубиками Lego, экономные организмы часто используют генетические или биохимические модули для решения новых задач. Хотя существуют разные теории того, почему эволюция выбирает модульные системы, это исследование показывает, что простота модульных частей является достаточным объяснением. Недавняя работа других исследовательских групп также показывает, что сложные морфологии встречаются редко.
Чико Камарго, один из исследователей, участвовавших в исследовании, подчеркнул в своем твите, что «сумасшествие заключается в том, что все это происходит еще до того, как в игру вступает естественный отбор. Симметрия и простота появляются не благодаря естественному отбору, а потому, что эволюция - это алгоритмический процесс».