ЗДОРОВЬЕ и ИНТЕЛЛЕКТ
ЗДОРОВЬЕ и ИНТЕЛЛЕКТ
Наука, общество, медицина, здоровье, долголетие, лекарства и бады = блогинг и новости
Read 3 minutes

"Информационная простота" может объяснить, почему природа предпочитает симметрию

В биологии симметрия обычно является правилом, а не исключением. Наши тела имеют левую и правую половины, морские звезды расходятся от центральной точки, и даже деревья, хотя и не очень симметричные, все же производят симметричные цветы. На самом деле асимметрия в биологии по сравнению с симметрией кажется довольно редкой.

Image for post
Молекулярные машины, такие как этот светособирающий комплекс бактерии, часто поразительно симметричны.

Означает ли это, что эволюция предпочитает симметрию? В новом исследовании международная группа исследователей во главе с Иэном Джонстоном, профессором кафедры математики Бергенского университета в Норвегии, утверждает, что это так.

Хотя симметричные структуры представляют собой лишь малую часть возможных форм – по крайней мере, в геометрии – симметрия встречается в живых организмах повсеместно. Это также не просто феномен строения тел. Белки, молекулярные механизмы внутри организма, также в значительной степени симметричны и часто состоят из ряда повторяющихся модульных частей. Повторяющиеся структуры часто встречаются и у животных; вспомните многоножек с их повторяющимися сегментами тела. Причина этого очевидного "предпочтения" не обусловлена эстетикой. Вместо этого, по мнению исследователей, всё сводится к простоте.

"Может возникнуть соблазн предположить, что симметрия и модульность возникают в результате естественного отбора," – писали Джонстон с соавторами в новом исследовании. Естественный отбор может привести к тому, что полезные черты станут более распространёнными, потому что эти черты помогают выживанию. Однако естественный отбор может только сделать полезный признак более распространённым или покончить с вредным; он не может заставить появиться совершенно новый.

Вместо этого он может только усилить эффекты мутаций, которые происходят случайным образом. Например, мотыльков с тёмными крыльями птицам может быть труднее увидеть, чем мотыльков со светлыми крыльями. Таким образом, хищники с большей вероятностью не заметят темнокрылых мотыльков, что позволит большему количеству этих насекомых выжить, размножиться и передать эту черту своему потомству. Но это не приводит к появлению чёрных крыльев; для этого ген должен мутировать. И если мутация даёт преимущество, то она, скорее всего, будет сохраняться среди популяции в течение нескольких поколений, пока не станет общей чертой для вида.

Точно так же естественный отбор может показаться благосклонным к симметрии только потому, что ему в основном даны симметричные формы для работы. Наиболее вероятное объяснение того, почему белки и тела симметричны, заключается не в том, что симметрия даёт преимущество в выживании, а в том, что в первую очередь появляются более симметричные, повторяющиеся формы.

Так что же заставляет это происходить? Симметричные формы, вероятно, эволюционировали чаще, а затем сохранялись в течение эволюционного времени, потому что они часто требуют меньше информации для воспроизводства, чем асимметричные формы.

"Представьте себе, что вам нужно рассказать другу, как выложить плитку на полу, используя как можно меньше слов," – говорится в заявлении Джонстона. "Вы бы не сказали: "Положите здесь ромбы, здесь длинные прямоугольники, здесь широкие прямоугольники". Вы бы сказали что-то вроде: "Положите повсюду квадратные плитки". И этот простой, лёгкий рецепт даёт в высшей степени симметричный результат.

Джонстон и его коллеги проверили эту гипотезу простоты с помощью вычислительного моделирования. Проведя моделирование эволюции белка, исследователи обнаружили, что случайные мутации с гораздо большей вероятностью приводят к образованию простых генетических последовательностей, чем сложных. Если эти простые структуры достаточно хороши, чтобы выполнять свою работу, естественный отбор может выйти на сцену и использовать эти структуры. В симуляциях исследователей, как и в реальной жизни, высокосимметричные структуры с низкой сложностью намного превосходили сложные структуры с низкой симметрией.

Это исследование по-новому раскрывает так называемую теорему о бесконечных обезьянах, старый мысленный эксперимент в области эволюционной биологии. Если, как утверждает теорема, обезьяна печатает случайным образом в течение бесконечного количества времени, она в конечном итоге создаст полное собрание сочинений Шекспира (или, возможно, сценарий для "Крепкого орешка"). По сути, случайные мутации в ДНК подобны печатающим обезьянам. При наличии достаточного количества времени (и достаточного количества обезьян) можно с уверенностью сказать, что появятся довольно хитроумные мутации.

Но к тому времени, когда гипотетическая обезьяна создаст весь каталог произведений Шекспира, трудолюбивое существо, скорее всего, уже напечатает большое количество коротких стихотворений. Точно так же, если биология полностью полагается на генетические инструкции, генерируемые случайным образом (очень похоже на работу случайно печатающей обезьяны), она будет генерировать очень большое количество простых инструкций, потому что они будут появляться гораздо чаще, чем сложные инструкции. Что касается естественного отбора, то сложность не нужна, когда доступно простое решение, пришли к выводу авторы исследования.

Таким образом, в следующий раз, когда вы остановитесь, чтобы полюбоваться радиальной симметрией цветка, вы также можете восхититься эффективностью более коротких и простых последовательностей генов, которые кодируют этот признак.

Это исследование было опубликовано 11 марта в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

источник https://www.livescience.com/why-symmetry-common-in-biology~
редактура и адаптация Дмитрий Бобров

8 views
Add
More
ЗДОРОВЬЕ и ИНТЕЛЛЕКТ
Наука, общество, медицина, здоровье, долголетие, лекарства и бады = блогинг и новости
Follow