Самые красивые формы: ученые поняли, почему эволюция стремится к симметрии

От подсолнухов до морских звезд — симметрия проявляется в биологии повсюду. Это верно не только для строения тел живых организмов. Молекулярные машины, поддерживающие жизнь наших клеток, также поразительно симметричны. Но почему? Есть ли в эволюции встроенное предпочтение симметрии?

Международная группа исследователей считает, что да. Они объединили идеи из биологии, информатики и математики, чтобы объяснить, почему так происходит. Научная статья вышла в PNAS, кратко о результатах исследования пишет EurekAlert!.

Ученые пришли к выводу, что симметрия, как и другие простые структуры, возникает так часто потому, что эволюция отдает большое предпочтение простым алгоритмам — наборам инструкций или рецептам для создания конкретной структуры.

Команда использовала вычислительное моделирование, чтобы изучить, как это возникает в биологии. Исследователи показали, что гораздо больше генов описывают простые алгоритмы. По мере того как эволюция создает возможные варианты генов, с большей вероятностью будут выбраны именно те, что кодируют простые алгоритмы, которые, в свою очередь, дают более симметричные структуры.

«Эти интуитивные догадки могут быть систематизированы в алгоритмической теории информации, которая дает количественные предсказания склонности к описательной простоте», — говорит Ард Луи, профессор Оксфордского университета, соавтор исследования.

То есть это не какой-то «разумный замысел». Ключевую теоретическую идею исследования можно проиллюстрировать с помощью некоторого изменения известного мысленного эксперимента. Там предлагается представить комнату, полную обезьян, пытающихся написать книгу, случайным образом набирая буквы на клавиатуре. А если вместо этого обезьянам нужно будет написать короткий рецепт? В этом случае нужные буквы в нужном порядке будут подобраны случайно с большей вероятностью. То есть простые результаты получаются сами по себе гораздо чаще, чем сложные.

«Представьте, что вам нужно рассказать другу, как класть плитку на пол, используя как можно меньше слов. Нельзя говорить: "Сюда ставь ромбики, сюда длинные прямоугольники, сюда широкие". Вы бы сказали что-то вроде: "Везде клади квадратные плитки". И этот простой и легкий рецепт дает очень симметричный результат», — говорит Иэн Джонстон, профессор Бергенского университета (Германия), главный автор исследования.

Пока ученые применили свою гипотезу к мельчайшим биологическим структурам. Они доказали, что широкий спектр наносистем, от белков до РНК и сигнальных сетей, принимает простые структуры с вероятностями, предсказанными их теорией. В дальнейшем исследователи планируют опробовать свои расчеты на более крупномасштабных процессах развития.