Симметрия и простота в природе возникают спонтанно
Инженеры обычно разрабатывают модульные и симметричные системы, чтобы повысить устойчивость к возмущениям и упростить внесение изменений в будущем. Биологические структуры также часто демонстрируют модульность и симметрию, но происхождение таких тенденций изучено гораздо хуже. Ученые задаются вопросом, почему эволюция отдает предпочтение симметричным структурам, если они представляют собой лишь незначительное подмножество всех возможных форм?
Теорема кодирования из алгоритмической теории информации предсказывает, что случайные мутации, когда они декодируются в процессе развития, предпочтительно производят фенотипы с более короткими алгоритмическими описаниями. Поскольку симметричным структурам для кодирования требуется меньше информации, они с гораздо большей вероятностью проявляются как потенциальные вариации. Здесь 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 данные черты должны давать некоторое непосредственное избирательное преимущество, которое трудно согласовать с широтой систем, в которых наблюдается симметрия.
Чтобы объяснить суть проблемы, ученые ввели альтернативную неадаптивную 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 меньше специфической информации, и поэтому с гораздо большей вероятностью они проявляются как фенотипические вариации в результате случайных мутаций. Аргументы теории алгоритмической информации могут формализовать эту интуицию. Это приведет к предсказанию того, что многие карты генотип-фенотип экспоненциально смещены в сторону фенотипов с низкой описательной сложностью.
Предпочтение симметрии является частным случаем этой склонности к сжимаемым описаниям. Ученые проверили свои предсказания с помощью обширных биологических данных, полученных при многочисленных испытаниях с применением молекулярно-биологического оборудования. Они показали, что белковые комплексы, вторичные структуры РНК и регуляторная сеть модельных генов демонстрируют ожидаемое экспоненциальное смещение в сторону более простых и более симметричных фенотипов. Более низкая сложность описания также коррелирует с более высокой устойчивостью к мутациям, что может способствовать эволюции сложных модульных сборок из нескольких компонентов.
Таким образом, ученые смогли создать удобный инструмент для предсказания гораздо более высокой распространенности фенотипов низкой сложности (высокой симметрии), чем это следует из одного только естественного отбора, а также объяснили закономерности, наблюдаемые в белковых комплексах, вторичных структурах РНК и сети регуляции генов.
