从向日葵到海星，对称性在生物学中无处不在。这不仅适用于身体计划——让我们的细胞保持活力的分子机器也是惊人地对称的。但为什么？进化是否具有对对称性的内在偏好？

一个国际研究团队相信如此，并结合生物学、计算机科学和数学的想法来解释原因。正如他们在PNAS中报告的那样，对称结构和其他简单结构如此普遍出现是因为进化对简单的“算法”有着压倒性的偏好——即简单的指令集或产生给定结构的配方。

卑尔根大学教授、该研究的作者伊恩约翰斯顿说：“想象一下，必须告诉朋友如何用尽可能少的词来铺地板。” “你不会说：这里放钻石，这里放长方形，这里放宽矩形。你会说：到处放方形瓷砖。而这种简单易行的配方会产生高度对称的结果。”

分子机器，就像这种来自细菌的光捕获复合物一样，通常是惊人的对称的。新理论表明，这种对称性自然产生于信息在进化中的编码和使用方式。来源：Iain Johnston/PyMOL-来源数据：PDB DOI：10.2210/pdb1NKZ/pdb；帕皮兹等人。(2003) J 分子生物学 326: 1523-1538

该团队使用计算模型来探索这种偏好是如何在生物学中产生的。他们表明，与更复杂的算法相比，更多可能的基因组描述了简单的算法。随着进化搜索可能的基因组，更容易发现简单的算法——反过来，它们产生的结构越对称。然后，科学家们将这一进化图景与算法信息论理论学科的深层结果联系起来。

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“这些直觉可以在算法信息论领域形式化，它为描述简单性的偏见提供定量预测，”牛津大学教授和该研究的通讯作者 Ard Louis 说。

这项研究的关键理论思想可以通过一个著名的进化生物学思想实验的转折来说明，该实验描绘了一个满屋子的猴子试图通过在键盘上随机打字来写一本书。想象一下猴子正在尝试编写食谱。每个人都更有可能随机打出拼出简短而简单的食谱所需的字母，而不是冗长而复杂的食谱。如果我们随后遵循猴子产生的任何食谱——我们对从遗传信息产生生物结构的隐喻——我们将产生简单的结果，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，广泛的生物结构和系统采用算法简单的结构，其概率与该理论所预测的一样。展望未来，他们计划调查他们的理论对更大规模发展过程中的偏见的预测。

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参考：

“对称性和简单性自发地从进化的算法本质中出现”，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，美国国家科学院院刊。
DOI: 10.1073/pnas.2113883119

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