Величие простоты: почему природа предпочитает симметрию

Жизнь бывает разных форм и размеров, но все организмы имеют как минимум одну общую черту — симметрию.

Обратите внимание, как ваша левая половина отражает правую, или как расположены лепестки цветка или лучи морской звезды. Такая симметрия сохраняется даже на микроскопическом уровне — в почти сферической форме многих микробов или в идентичных субъединицах различных белков.

Обилие симметрии в биологических формах заставляет задуматься о том, дают ли симметричные конструкции преимущество. Любой инженер даст положительный ответ. Симметрия имеет решающее значение для проектирования модульных, прочных деталей, которые можно комбинировать для создания более сложных конструкций. Например, конструкторы Lego, из которых легко можно собрать едва ли не все, что угодно.

Однако, в отличие от инженера, эволюция не обладает даром предвидения. Некоторые биологи полагают, что симметрия обеспечивает немедленное селективное преимущество. Но любое адаптивное преимущество симметрии само по себе недостаточно для объяснения широкого его распространения в биологии как в больших, так и в малых масштабах.

Основываясь на выводах из алгоритмической теории информации, исследование, опубликованное в Proceedings of the Natural Academy of Sciences, предполагает существование неадаптивного объяснения.

Информация и эволюция

Нуклеиновые кислоты и белки — это молекулы, несущие информацию. Они несут информацию не только о построении организма, но и о том, как он эволюционировал. Многие теоретики называют информацию валютой жизни. Говоря об информации и эволюции, физик Фримен Дайсон предполагает, что происхождение жизни — это происхождение системы обработки информации.

Точная передача информации от одного поколения к другому имеет решающее значение для непрерывности жизни, в то время как ошибки в процессе (то есть мутации) необходимы для эволюции. Определяет ли также информация, какие признаки эволюционируют?

В теории информации, сложность по Колмогорову описывает количество вычислений для любого описания. (Например, сценарий для сложения 2 + 2 имеет меньшую сложность по Колмогорову, чем программа преобразования текста в речь). Метафорическая обезьяна, стучащая по клавиатуре, с гораздо большей вероятностью напишет простой сценарий.

Аналогичным образом, эволюция скорее придет к более простым, чем к более сложным характеристикам. Авторы заявили, что «поскольку симметричным структурам требуется меньше информации для кодирования, они с гораздо большей вероятностью появятся как потенциальная вариация». Для проверки гипотезы исследователи искали симметрию в белковых комплексах, структурах РНК и генных сетях.

Простота симметрии

Белковые субъединицы присоединяются друг к другу через интерфейсовые поверхности, образуя сложные структуры. Чем больше число возможных интерфейсов, тем сложнее белок. Изучив существующие структуры по Банку белковых структур, исследователи заметили, что у большинства белков мало интерфейсов. В целом, природа гораздо чаще создает белки с низкой сложностью и высокой симметрией, чем белки с высокой сложностью и низкой симметрией. Компьютерное моделирование дало аналогичный результат.

Авторы также изучили сложность морфопространства РНК (то есть пространства всех возможных вторичных структур РНК). Их моделирование показало обратную зависимость между сложностью и частотой структур. Это соответствует результатам более раннего исследования, которое говорит, что природа работает только с 1 из 100 млн возможных фенотипов в морфопространстве РНК.

Затем исследователи изучили проявление симметрии регуляторной сети генов у почкующихся дрожжей, популярного модельного организма. (Да, у сетей тоже есть формы.) За многие годы ученые составили список дифференциальных уравнений, описывающих клеточный цикл дрожжей. Исследователи смоделировали множество фенотипов клеточного цикла, произвольно изменяя параметры уравнений в качестве косвенного показателя генотипа. Уклон наблюдался не только в сторону менее сложных фенотипов. Реальный фенотип был менее сложным, чем все смоделированные.

Эволюция как алгоритмический процесс

Модульность — еще одна важная особенность биологических систем, и, по аналогии с кубиками Lego, бережливые организмы часто используют генетические или биохимические модули для решения новых задач. Существуют различные теории, почему эволюция выбирает модульные системы, а данное исследование говорит о том, что главное объяснение — это простота модульных частей. Недавние работы других исследовательских групп также показывают, что сложные морфологии встречаются редко.

Чико Камарго, один из авторов исследования, подчеркнул в своем Tweeter, что «сумасшествие заключается в том, что все происходит до вступления в игру естественного отбора. Симметрия и простота образуются не из-за естественного отбора, а потому что эволюция — алгоритмический процесс».