Биологичните структури често показват модулност и симетрия, но произходът на тези тенденции не е добре разбран. Изкушаващо е да се предположи — по аналогия с инженерния дизайн — че симетрията и модулността произтичат от естествения подбор.
Но еволюцията, за разлика от инженерите, не може да планира напред и така тези характеристики трябва да предоставят и някакво непосредствено еволюционно предимство, което е трудно да се съгласува с широтата на системите, в които се наблюдава симетрия.
В нова статия, публикувана в Proceedings of the National Academy of Sciences, учени предлагат алтернативна хипотеза, базирана на алгоритмична картина на еволюцията. Тя предполага, че симетричните структури възникват с предимство не само поради естествения подбор, но и защото изискват по-малко специфична информация за кодиране и следователно е много по-вероятно да се появят като генетични вариации при случайни мутации.
От снежинки до слънчогледи, морски звезди до акули, симетрията е навсякъде в природата. И не само във формата и конструкцията на тялото, а чак до микроскопичните молекулярни машини, поддържащи клетките живи.
Въпреки че има голяма колекция от асиметрични форми в естествения свят, изглежда, че симетричните модели се срещат по-често, отколкото бихте очаквали, ако е чиста случайност.
Изкушаващо е да се предположи, че еволюцията разглежда предимствата на простите модулни и симетрични форми точно както правят инженерите, архитектите и шведските дизайнери на мебели.
Биолозите обаче посочват, че еволюцията работи с едно поколение, а не прави адаптации за бъдещи ползи, и трябва да има непосредствено еволюционно предимство, за да се задържи една мутация.
Има два етапа в еволюционното развитие.
Първият е генетичната мутация, която причинява вариация в определена физическа характеристика (фенотип), а вторият е естественият подбор, който води до доминиране на някои черти пред други.
„По-голямата част еволюционна теория се концентрира върху втората стъпка „оцеляване на най-приспособения“, коментира професор Ард Луис (Ard Louis) от Оксфордския университет.
„Но какво ще стане, ако първата стъпка „пристигане на вариация“ е силно толерантна към фенотипове с висока симетрия или модулност. Може ли това да доведе до предпочитание към тези черти, които наблюдаваме в природата."
Професор Луис и колегите му събират данни от протеинови клъстери, РНК молекули и генерични вериги и откриват, че въпреки безбройните различни форми и структури, има изумителна склонност към проста структурна симетрия.
Извършването на компютърни симулации върху същите биологични системи потвърди тази склонност в природата. Симулация на протеинов клъстер с 13 079 255 различни възможни структурни форми има само пет форми с квадратна симетрия.
При равни условия това означава, че ще има шанс да се появи този прост квадрат пет на тринадесет милиона.
И все пак прилагането на еволюционния алгоритъм извежда един от тези пет прости квадрата в 30% от случаите.
Have you ever noticed how nature seems to love symmetry?
— Chico Camargo (@evoluchico) March 14, 2022
Evolution has literally trillions of shapes to pick from, and yet, biological structures often show symmetry and simplicity.
This is the story of the discovery that completely changed how I see biology. pic.twitter.com/BZDCu6ty7R
За да продължат своето изследване на тайната на природата защо предпочита симетрията, авторите на изследването се обръщат към компютърните науки.
В теорията на алгоритмичната информация (AIT - algorithmic information theory) сложността на даден обект се измерва с дължината на най-краткото му описание.
Например сто пъти последователността от буквите AB може да се опише по два начина: или като 100хAB, или като пълната последователност ABABABABABAB... в нейната цялост.
По-краткото описание е по-малко сложно и значително по-ефективно - 6 знака, а не сто знака. Произволна последователност без възможна „стенография“, която да я опише, би била наистина сложна.
„Много по-ефективно е да следвате инструкция, която гласи „направете това и след това го повторете х пъти“, отколкото да следвате всички подробни инструкции, необходими за по-сложна асиметрична форма“, отбелязва професор Луис.
Идеята, че природата често следва по-малко сложен набор от инструкции, които са по-лесни за следване, стои зад ключовото послание на статията - идеята за отределена склонност на еволюцията.
Идеята за набор от форми, преднамерено нагласен както е предписано от по-кратки, по-прости „инструкции“ в момента на изменчивост на фенотипа, предлага много по-добро обяснение за статистическата невероятност на толкова много симетрични форми в природата.
„Въпросът дали предпочитанието при появата на вариации оказва влияние върху еволюционните резултати е силно оспорван в продължение на много десетилетия“, коментира професор Луис.
„Нашите примери са достатъчно прости, за да ни позволят да се справим директно с този въпрос, с ясни резултати, сочещи критичното значение на такова."
Справка: Iain G. Johnston et al. 2022. Symmetry and simplicity spontaneously emerge from the algorithmic nature of evolution. PNAS 119 (11): e2113883119; doi: 10.1073/pnas.2113883119
Източник: Mother Nature Prefers Symmetry and Simplicity, Researchers Say, Sci-News.com
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари