Natura preferă simetria și simplitatea, afirmă cercetătorii

Structurile biologice prezintă adesea modularitate și simetrie, dar originea unor astfel de tendințe nu este bine înțeleasă. Poate fi tentant să presupunem, prin analogie cu proiectarea inginerească, că simetria și modularitatea provin din selecția naturală.

Cu toate acestea, evoluția, spre deosebire de ingineri, nu poate planifica dinainte și, prin urmare, aceste trăsături trebuie să ofere un avantaj selectiv imediat, care este greu de reconciliat cu multitudinea sistemelor din natură unde se constată simetria.

Într-o nouă lucrare, publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences, oamenii de știință au propus o ipoteză alternativă bazată pe o imagine algoritmică a evoluției.

Cercetătorii sugerează că structurile simetrice apar de preferință nu doar datorită selecției naturale, ci și pentru că necesită informații mai puțin specifice pentru a codifica și, prin urmare, au o probabilitate mai mare să apară ca variații genetice prin mutații aleatoare.

De la fulgi de zăpadă la floarea soarelui, de la stele de mare la rechini, simetria este peste tot în natură. Ea poate fi găsită chiar şi în mașinile moleculare microscopice care mențin celulele în viață.

Floarea soarelui. Credit imagine: Mabel Amber.

Deși numărul formelor asimetrice din lumea naturală este mai mare, se pare că modelele simetrice apar mai des decât v-ați aștepta dacă ele se datorează unei întâmplări aleatorii.

Este tentant să presupunem că evoluția urmăreşte avantajele formelor simple, modulare și simetrice, așa cum fac inginerii, arhitecții și designerii suedezi de mobilier.

Totuși, biologii vor sublinia faptul că evoluția funcționează timp de o generație la un moment dat, mai degrabă decât să inducă adaptări pentru beneficii viitoare și că trebuie să existe un avantaj evolutiv imediat pentru ca o mutație să rămână.

Este util să ne reamintim că există două etape în dezvoltarea evolutivă.

Prima etapă este mutația genetică care provoacă o variație a unei anumite caracteristici fizice (un fenotip), iar a doua etapă este selecția naturală care duce la dominarea unor trăsături asupra altora.

„Cea mai mare parte a teoriei evoluționiste se concentrează pe al doilea pas de „supraviețuire a celui mai potrivit”.

Ce se întâmplă însă dacă primul pas de „apariție a variației” favorizează fenotipuri cu simetrie sau cu o modularitate mărită? Ar putea acest lucru conduce la apariţia acestor structuri simetrice pe care le observăm în natură?”, se întreabă profesorul Ard Louis de la Universitatea Oxford.

Pentru a încerca să răspundă la aceste întrebări, profesorul Louis și colegii săi au analizat date de la grupuri de proteine și molecule de ARN și au descoperit că, în ciuda multitudinii de forme și structuri diferite, există o predilecţie uimitoare către simetria structurală simplă.

Efectuarea unor simulări computerizate pe aceleași sisteme biologice a confirmat predilecţia naturii.

O simulare a unui grup de proteine ​​cu 13.079.255 de forme structurale diferite a identificat doar cinci forme cu simetria unui pătrat. Aceasta înseamnă că există o șansă de cinci din treisprezece milioane ca acel pătrat simplu să apară.

Cu toate acestea, aplicarea algoritmului evolutiv a returnat unul dintre acele cinci pătrate simple în 30% din timp.

Autorii studiului au utilizat informatica pentru a găsi secretul din spatele acestor predilecţii din natură.

În teoria informației algoritmice (AIT-algorithmic information theory), complexitatea unui obiect este măsurată prin lungimea celei mai scurte descrieri a acestuia.

De exemplu, o secvență a literelor AB de un milion de ori ar putea fi descrisă fie ca un milion de repetări ale lui AB sau ca o secvență completă ABABAB… în întregime.

Descrierea mai scurtă este mai puțin complexă și considerabil mai eficientă. O secvență aleatorie care nu poate fi „scurtată” pentru a o descrie ar fi cu adevărat complexă.

„Este mult mai eficient să urmezi o instrucțiune care spune „fă asta și apoi repetă de x ori”, decât să urmezi toate instrucțiunile detaliate necesare pentru o formă asimetrică mai complexă”, a spus profesorul Louis.

Ideea că natura preferă adesea un set mai puțin complex de instrucțiuni, care sunt mai simplu de urmat, se află în spatele mesajului cheie al lucrării.

Oamenii de știință sugerează că ideea unui număr limitat de forme simple, așa cum este prescris de „instrucțiuni” mai scurte și mai simple în punctul de variație a fenotipului, oferă o explicație mult mai bună pentru improbabilitatea statistică a atâtor forme simetrice din natură.

„Întrebarea dacă predilecţia de apariției a variației are sau nu un impact asupra rezultatelor evolutive a fost foarte contestată de multe decenii.

Exemplele noastre sunt suficient de simple pentru a ne permite să abordăm această întrebare direct, cu rezultate clare care indică importanța critică a unei astfel de predilecţii”, a spus profesorul Louis.

Traducere după Mother Nature Prefers Symmetry and Simplicity, Researchers Say