從向日葵到海星，對(duì)稱性在生物學(xué)中無(wú)處不在。這不僅適用于身體計(jì)劃——讓我們的細(xì)胞保持活力的分子機(jī)器也是驚人地對(duì)稱的。但為什么？進(jìn)化是否具有對(duì)對(duì)稱性的內(nèi)在偏好？

一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)相信如此，并結(jié)合生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)的想法來(lái)解釋原因。正如他們?cè)?em>PNAS中報(bào)告的那樣，對(duì)稱結(jié)構(gòu)和其他簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如此普遍出現(xiàn)是因?yàn)檫M(jìn)化對(duì)簡(jiǎn)單的“算法”有著壓倒性的偏好——即簡(jiǎn)單的指令集或產(chǎn)生給定結(jié)構(gòu)的配方。

卑爾根大學(xué)教授、該研究的作者伊恩約翰斯頓說(shuō)：“想象一下，必須告訴朋友如何用盡可能少的詞來(lái)鋪地板?！?“你不會(huì)說(shuō)：這里放鉆石，這里放長(zhǎng)方形，這里放寬矩形。你會(huì)說(shuō)：到處放方形瓷磚。而這種簡(jiǎn)單易行的配方會(huì)產(chǎn)生高度對(duì)稱的結(jié)果?！?/p>

分子機(jī)器，就像這種來(lái)自細(xì)菌的光捕獲復(fù)合物一樣，通常是驚人的對(duì)稱的。新理論表明，這種對(duì)稱性自然產(chǎn)生于信息在進(jìn)化中的編碼和使用方式。來(lái)源：Iain Johnston/PyMOL-來(lái)源數(shù)據(jù)：PDB DOI：10.2210/pdb1NKZ/pdb；帕皮茲等人。(2003) J 分子生物學(xué) 326: 1523-1538

該團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算模型來(lái)探索這種偏好是如何在生物學(xué)中產(chǎn)生的。他們表明，與更復(fù)雜的算法相比，更多可能的基因組描述了簡(jiǎn)單的算法。隨著進(jìn)化搜索可能的基因組，更容易發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的算法——反過(guò)來(lái)，它們產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)越對(duì)稱。然后，科學(xué)家們將這一進(jìn)化圖景與算法信息論理論學(xué)科的深層結(jié)果聯(lián)系起來(lái)。

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“這些直覺(jué)可以在算法信息論領(lǐng)域形式化，它為描述簡(jiǎn)單性的偏見(jiàn)提供定量預(yù)測(cè)，”牛津大學(xué)教授和該研究的通訊作者 Ard Louis 說(shuō)。

這項(xiàng)研究的關(guān)鍵理論思想可以通過(guò)一個(gè)著名的進(jìn)化生物學(xué)思想實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)折來(lái)說(shuō)明，該實(shí)驗(yàn)描繪了一個(gè)滿屋子的猴子試圖通過(guò)在鍵盤(pán)上隨機(jī)打字來(lái)寫(xiě)一本書(shū)。想象一下猴子正在嘗試編寫(xiě)食譜。每個(gè)人都更有可能隨機(jī)打出拼出簡(jiǎn)短而簡(jiǎn)單的食譜所需的字母，而不是冗長(zhǎng)而復(fù)雜的食譜。如果我們隨后遵循猴子產(chǎn)生的任何食譜——我們對(duì)從遺傳信息產(chǎn)生生物結(jié)構(gòu)的隱喻——我們將產(chǎn)生簡(jiǎn)單的結(jié)果，而不是復(fù)雜的結(jié)果。

科學(xué)家們表明，從蛋白質(zhì)到RNA和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，廣泛的生物結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)采用算法簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其概率與該理論所預(yù)測(cè)的一樣。展望未來(lái)，他們計(jì)劃調(diào)查他們的理論對(duì)更大規(guī)模發(fā)展過(guò)程中的偏見(jiàn)的預(yù)測(cè)。

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XJE-2型刑偵文檢儀

參考：

“對(duì)稱性和簡(jiǎn)單性自發(fā)地從進(jìn)化的算法本質(zhì)中出現(xiàn)”，Iain G. Johnston、Kamaludin Dingle、Sam F. Greenbury、Chico Q. Camargo、Jonathan PK Doye、Sebastian E. Ahnert 和 Ard A. Louis，3 月 11 日2022，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊。
DOI: 10.1073/pnas.2113883119

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