生活对对称的偏好就像“新的自然法则”

对称性在自然界中猖獗。 它出现在任何重复镜像的地方,例如大象或蝴蝶的左右两半,或者围绕中心点的花瓣和海星手臂的重复图案。 它甚至隐藏在蛋白质和 RNA 等微小物质的结构中。 虽然自然界中确实存在不对称性(例如您的心脏如何偏向胸部的一侧,或者雄性招潮蟹如何有一个扩大的爪子),但对称形式在生物中经常出现,以至于只是随机的。

为什么对称至高无上? 生物学家并不确定——自然选择没有理由证明对称性在如此多样的生命形式及其组成部分中普遍存在。 现在看来,一个好的答案可能来自计算机科学领域。

在本月发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中,研究人员分析了数千种蛋白质复合物和 RNA 结构,以及控制基因开关方式的分子模型网络。 他们发现进化趋向于对称,因为产生对称的指令更容易嵌入遗传密码并遵循。 对称性可能是“更聪明地工作,而不是更努力地工作”这句格言的最基本应用。

“人们常常对进化可以制造这些令人难以置信的结构感到非常惊讶,而我们所展示的是它实际上比你想象的要容易,”牛津大学物理学家、该研究的作者阿德路易斯说。

“这就像我们发现了一条新的自然法则,”英国埃克塞特大学计算机科学系的合著者和讲师 Chico Camargo 说。 “这很美,因为它改变了你看待世界的方式。”

当 Johnston 博士攻读博士学位时,Louis 博士、Camargo 博士和他们的同事 Iain Johnston 开始探索对称性的进化起源,运行模拟以了解病毒如何形成其蛋白质外壳。 出现的结构高度偏向对称性,比纯粹的随机性所允许的要频繁得多。

研究人员起初很惊讶,但这是有道理的——产生简单、重复模式的算法更容易执行,也更难搞砸。 目前在挪威卑尔根大学工作的约翰斯顿博士将其比作告诉某人如何铺地板:给出指示铺设重复的相同方形瓷砖行比解释如何制作复杂的马赛克更容易。

在接下来的十年里,研究人员和他们的团队将同样的概念应用于基本的生物成分,研究蛋白质如何组装成簇以及 RNA 如何折叠。

“出现频率更高的形状是更简单的形状,或者不那么疯狂的形状,”卡马戈博士说。

将 RNA 和蛋白质想象成执行算法遗传指令的小型输入输出机器,以达尔文的“适者生存”无法解释的方式解释了对称趋势。 因为构建简单、对称结构的指令更容易编码,所以当涉及到自然选择时,大自然最终会提供不成比例的这些更简单的指令集可供选择。 这使得进化有点像“有偏见的骰子游戏”,卡马戈博士说,由于其简单性而产生了不成比例的对称性。

虽然他们的论文侧重于微观结构,但研究人员认为这种逻辑延伸到更大、更复杂的生物体。 “如果大自然可以重复使用该程序来生产花瓣,而不是为向日葵周围的 100 个花瓣中的每一个都设置不同的程序,那将非常有意义,”约翰斯顿博士说。

虽然在证明对微观对称性的统计偏差和解释我们在动植物中看到的对称性之间仍然存在鸿沟,但匈牙利德布勒森大学研究对称性的生物学家 Holló Gábor 表示,他对这篇新论文的结果感到兴奋. 没有参与这项研究的霍洛博士说:“要解释这样一个固有的、如此普遍的特征是如何在进化中、在自然界中出现的,这就是问题所在。”

同样,西班牙国家生物技术中心的复杂系统研究员 Luís Seoane 也没有参与这项研究,他称赞这项工作“尽可能合法”。

“简单性和复杂性之间正在进行一场战争,我们生活在它的边缘,”Seoane 博士说。 他补充说,宇宙趋向于不断增加的随机性,但这些简单、对称的构建块有助于理解这种复杂性。

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