Биологические структуры часто демонстрируют модульность и симметрию, но происхождение таких тенденций не совсем понятно. Может возникнуть соблазн предположить — по аналогии с инженерным проектированием — что симметрия и модульность возникают в результате естественного отбора. Однако эволюция, в отличие от инженеров, не может планировать заранее, и поэтому эти черты также должны давать некоторое непосредственное избирательное преимущество, которое трудно согласовать с широтой систем, в которых наблюдается симметрия.
В новой статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые представляют альтернативную гипотезу, основанную на алгоритмической картине эволюции. Она предполагает, что симметричные структуры преимущественно возникают не только из-за естественного отбора, но и потому, что для их кодирования требуется менее конкретная информация, и поэтому с гораздо большей вероятностью они проявляются как генетическая изменчивость в результате случайных мутаций.
От снежинок до подсолнухов, от морских звезд до акул, симметрия везде присутствует в природе. Не только в планах всего тела, которые управляют общей его формой, но вплоть до микроскопических молекулярных машин, поддерживающих жизнь клеток.
Хотя в мире природы существует большая коллекция асимметричных форм, кажется, что симметричные узоры встречаются чаще, чем можно было бы ожидать, из-за чистой случайности.
Заманчиво предположить, что эволюция ищет преимущества простых модульных и симметричных форм, как это делают инженеры, архитекторы и дизайнеры.
Биологи, однако, скажут, что эволюция работает с одним поколением за раз, а не адаптируется к будущим выгодам, и для того, чтобы мутация закрепилась, должно быть немедленное эволюционное преимущество.
На этом этапе полезно напомнить себе, что в эволюционном развитии есть две стадии.
Первая — это генетическая мутация, вызывающая изменение определенных физических характеристик (фенотип), а вторая — естественный отбор, приводящий к преобладанию одних признаков над другими.
«Большая часть эволюционной теории концентрируется на втором этапе «выживания наиболее приспособленных», — сказал профессор Оксфордского университета Ард Луис.
«Но что, если первый шаг «появление вариации» сильно смещен в сторону фенотипов с высокой симметрией или модульностью. Может ли это привести к предвзятости в отношении тех черт, которые мы наблюдаем в природе?»
Профессор Луис и его коллеги объединили данные о белковых кластерах, молекулах РНК и общих цепях и обнаружили, что, несмотря на множество различных форм и структур, существует поразительный уклон в сторону простой структурной симметрии.
Выполнение компьютерных симуляций на тех же биологических системах подтвердило предвзятость в природе. Моделирование белкового кластера с 13 079 255 различными возможными структурными формами имело только пять форм с квадратной симметрией.
При прочих равных это означает, что вероятность того, что этот простой квадрат вернется, составляет пять из тринадцати миллионов.
Тем не менее, применение эволюционного алгоритма возвращало один из этих пяти простых квадратов в 30% случаев.
Авторы исследования обратились к компьютерным наукам за секретом ловкости рук природы, продолжая расследование предвзятости.
В алгоритмической теории информации сложность объекта измеряется длиной его кратчайшего описания. Так называемое «Сообщение минимальной длины» — это формальное переопределение принципа бритвы Оккама на языке теории информации: даже если модели не эквивалентны в точности, та из них, которая порождена наикратчайшим сообщением, является наиболее корректной.
Например, последовательность букв AB миллион раз может быть описана либо как «миллион повторений ‘AB'», либо как полная последовательность — ABABABABABABABABABABAB… и тд целиком.
Строка «0101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101» имеет краткое описание «32 повторения ’01’», а строка «1100100001100001110111101110110011111010010000100101011110010110» предположительно не имеет простого описания, кроме записи самой строки.
Более короткое описание менее сложное и значительно более эффективное. При этом случайная последовательность без возможного «сокращения» для описания была бы действительно сложной.
«Гораздо эффективнее следовать инструкции, которая гласит: «Сделайте это, а затем повторите это X раз», чем следовать всем подробным инструкциям, необходимым для более сложной асимметричной формы», — говорят ученые.
Идея о том, что природа часто следует менее сложному набору инструкций, которым проще следовать, лежит в основе ключевого сообщения исследования — понятия об отчетливой предвзятости развития.
Ученые предполагают, что идея последовательности, состоящей из фигур, как предписано более короткими и простыми «инструкциями» в точке изменения фенотипа, предлагает гораздо лучшее объяснение статистической невероятности такого количества симметричных форм в природе.
«Вопрос о том, влияет ли предвзятость в появлении вариаций на результаты эволюции, вызывает ожесточенные споры на протяжении многих десятилетий», — сказал профессор Луис.
«Наши примеры достаточно просты, чтобы мы могли прямо ответить на этот вопрос, с четкими результатами, указывающими на критическую важность такой предвзятости».
Исследование было опубликовано в PNAS.