"信息的简单性"可以解释为什么自然界喜欢对称性

By Cameron Duke 

2022/3/25

生命更喜欢简单的结构而不是复杂的结构。

像这种来自一种收集光的细菌复合物一样分子机制往往是惊人的对称的。. (Image credit: Iain Johnston)

在生物学中，对称性通常是规则而不是例外。我们的身体有左右两半，海星从一个中心点辐射，甚至树木虽然不是大部分对称的，但仍然产生对称的花朵。事实上，相比之下，生物学中的不对称性似乎相当的罕见。

这是否意味着进化有一个对称性偏爱？在一项新的研究中，由挪威卑尔根大学数学系教授伊恩·约翰斯顿（Iain Johnston）领导的一个国际研究小组说确实如此。. 

虽然对称结构只代表了可能的形式的一小部分------至少在几何学中是这样------但对称性在生物体中到处蹦出。这不仅仅是一个身体计划现象。蛋白质是体内的一个分子机制，在很大程度上也是对称的，往往由一系列重复的模块化部件组成。重复结构也经常被在动物中看到。想想蜈蚣，有它们重复的身体部分。这种明显的"偏好"的原因不是由美学驱动的。相反，按照研究人员，它归结为简单性。

约翰斯顿和他的合著者在这项新研究中写道，"能是很容易来假定对称性和模块化源于自然选择"。自然选择能造成变得更加普遍有益的性状，因为这些特征帮助生存。

然而，自然选择使只能弄成一个更普遍或消除一个有害的的有益的特征，它不能强迫全新的出现。

相反，它只能加强随机发生的突变的影响。例如，翅膀为深色的飞蛾可能对鸟来看到比翅膀为浅色的飞蛾更难看到。因此，捕食者可能更有可能忽视黑翅蛾，使更多的那些昆虫生存、繁殖并将这种特征传递给它们的后代成为能够。但这并不能迫使黑色的翅膀存在。一个基因为了那个发生必须突变。如果一个突变提供一个优势，它更有可能在种群中延续几代，直到它成为该物种的一个共同特征。

同样，自然选择似乎只感兴趣对称性，因为它大多被赋予对称的形式来工作。为什么蛋白质和身体是对称的最可能的解释不是因为对称性赋予一个生存优势，而是因为第一位中出现更多对称的重复形式。

那么是什么让这种情况发生呢？对称形式可能已经进化的更频繁，然后在进化过程中持续存在，因为它们往往比不对称形式做的需要更少的信息来产生。

约翰斯顿在一份声明中说，"想象不得不告诉一个朋友怎样使用尽可能少的单词平铺一个地板，你不会说'把钻石放在这里，把长矩形放在这里，把宽长的矩形放在这里。你会说某些像'把方形瓷砖放到各处的事情。而这个简单易用的配方给出一个高度对称的结果"。

约翰斯顿和他的同事们通过使用计算建模来测试这个简单性假设。通过运行蛋白质进化模拟，研究人员发现了随机突变比复杂的突变更有可能产生简单的基因序列。如果这些简单的结构足以好来完成它们的工作，那么自然选择能接管并利用这些结构。在研究人员的模拟中，以及在生活中，有低复杂性的高对称结构远远超过有低对称性的复杂结构。

这项研究在所谓的无限猴子定理上放上一个新的定调，这是进化生物学领域的一个古老的思想实验。如果像定理所预测的那样，一只猴子随机的打字了无限量的时间，它最终将产生莎士比亚的完整作品（或者可能是"Die Hard"的剧本）。从本质上讲，DNA中的随机突变就像打字猴子一样。给定足够的时间（和足够的猴子），可以肯定的是一些非常巧妙的突变会出现。

但到一只假想的猴子产生莎士比亚的全部作品目录时，这个勤劳的生物可能已经打出了大量的短诗。同样，如果生物学完全依赖于随机生成的基因指令（就像随机打字猴子的工作一样），它将产生非常大量的简单指令，因为这些指令的出现频率将比复杂方向做的高得多。研究作者总结说，就自然选择而言，当有一个简单的解决方案可用时复杂性是不必要的。

因此下次你停下来欣赏一朵花的径向对称性时，你也能欣赏编码该性状的更短，更简单的基因序列的效率。