Від соняшників до морських зірок – симетрія проявляється у біології всюди. Це правильно не тільки для планів тіла – молекулярні машини, що підтримують життя наших клітин, також напрочуд симетричні. Але чому? Чи є в еволюції вбудована перевага симетрії?
Міжнародна група дослідників вважає, що саме так, і об’єднала ідеї з біології, інформатики та математики, щоб пояснити чому.
Як вони повідомляють у PNAS, симетричні та інші прості структури виникають так часто, тому що еволюція надає переважно перевагу простим «алгоритмам», тобто простим наборам інструкцій або рецептам для створення тієї чи іншої структури.
“Уявіть, що вам потрібно розповісти другові, як класти плитку на підлогу, використовуючи якнайменше слів”, – говорить Іен Джонстон, професор Бергенського університету та автор дослідження. «Ви б не сказали: помістіть ромби тут, довгі прямокутники тут, широкі прямокутники тут. Ви сказали б щось на зразок: помістіть всюди квадратні плитки. І цей простий та легкий рецепт дає дуже симетричний результат».
Команда використовувала обчислювальне моделювання, щоб вивчити, як ця перевага виникає в біології. Воно показало, що набагато більше можливих геномів описують прості алгоритми, ніж складніші. У міру того, як еволюція досліджує можливі геноми, з більшою ймовірністю будуть виявлені прості алгоритми, як, у свою чергу, і більш симетричні структури, які вони виробляють. Потім вчені пов’язали цю еволюційну картину із глибоким результатом теоретичної дисципліни алгоритмічної теорії інформації.
«Ці інтуїтивні здогади можуть бути формалізовані в галузі алгоритмічної теорії інформації, яка дає кількісні передбачення схильності до описової простоти», – каже Ард Луї, професор університету Оксфорда і співавтор дослідження.
Ключову теоретичну ідею дослідження можна проілюструвати поворотом відомого уявного експерименту у сфері еволюційної біології, у якому зображується кімната, повна мавп, які намагаються написати книгу, друкуючи на клавіатурі щось випадкове. Уявіть, що натомість мавпи намагаються написати рецепт. Кожна із них із набагато більшою ймовірністю випадково набере літери, необхідні для написання короткого простого рецепту, ніж довгого та складного. Якщо потім ми слідуватимемо будь-яким рецептам, виробленим мавпами — нашій метафорі створення біологічних структур із генетичної інформації, — ми отримуватимемо прості результати набагато частіше, ніж складні.
Вчені показують, що широкий спектр біологічних структур та систем, від білків до РНК та сигнальних мереж, приймає алгоритмічно прості структури з ймовірностями, передбаченими цією теорією. Надалі вони планують досліджувати прогнози, зроблені їхньою теорією щодо більш великомасштабних процесів розвитку.