无尽的形式最美丽：为什么进化喜欢对称

一个由来自生物学、计算机科学和数学的国际研究小组解释了为什么进化偏爱对称。

　　

   

   

图像:分子机制，就像这个从细菌中获取光线的复合体，通常是惊人的对称的。新的理论表明，这种对称性是由信息在进化过程中的编码和使用方式自然产生的。

图片来源:Iain Johnston/ pymol

从向日葵到海星，对称性在生物学中无处不在。这不仅适用于身体结构——维持细胞存活的分子机器也非常对称。但是为什么呢?进化是否有一种对对称的内在偏好?一个国际研究小组相信是这样的，并结合生物学、计算机科学和数学的观点来解释其中的原因。正如他们在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上报告的那样，对称结构和其他简单结构的出现如此普遍，是因为进化对简单“算法”有压倒性的偏爱——也就是说，产生给定结构的简单指令集或食谱。

该研究的作者、卑尔根大学(University of Bergen)教授伊恩?约翰斯顿(Iain Johnston)说:“想象一下，你必须告诉一个朋友如何用尽可能少的文字铺地板。”

“你不会说:把菱形放在这里，长矩形放在这里，宽矩形放在这里。你可能会说:到处放正方形的瓷砖。这个简单易行的配方给出了一个高度对称的结果。”

该团队利用计算模型来探索这种偏好在生物学中是如何产生的。他们发现，简单算法所描述的基因组比复杂算法所描述的基因组要多得多。随着进化在可能的基因组中搜索，简单的算法更有可能被发现——反过来，它们产生的更对称的结构也更有可能被发现。

然后，科学家们将这一进化图景与算法信息论理论的深层结果联系起来。牛津大学(University of Oxford)教授、该研究的通讯作者Ard Louis说:“这些直觉可以在算法信息论领域得到形式化的表述，它为人们倾向于描述简单性提供了定量预测。”

这项研究的关键理论思想可以通过进化生物学中一个著名的思想实验来说明，这个实验描绘了一屋子的猴子试图通过在键盘上随意打字来写一本书。想象一下，猴子们正试图写一份食谱。每一个人都更有可能随机命中一个简短、简单的食谱所需要的字母，而不是一个冗长、复杂的食谱。如果我们按照猴子提出的任何方法(我们比喻用遗传信息制造生物结构)来做，我们会得到简单的结果，而不是复杂的结果。

科学家们表明，从蛋白质到RNA和信号网络，许多生物结构和系统都采用了算法上简单的结构，其概率与该理论预测的一致。接下来，他们计划调查他们的理论在更大规模的发展过程中导致的偏见的预测。

文章标题

Symmetry and simplicity spontaneously emerge from the algorithmic nature of evolution