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生命为什么总是对称的?

2022-03-23 10:01:52 点击:19 来自:财经晨讯

生命为什么总是对称的?

北京时间3月23日消息,据国外媒体报道,几乎所有生物都不约而同地长成了对称的模样,也许这就是人类在审美上偏向于对称的原因。但为何会出现这种现象呢?有那么多可能存在的生命形式,为什么进化对于对称似乎格外情有独钟呢?

也许长得对称具有一定的功能优势,但这种优势似乎并不明显,至少不足以成为生物界的通用规则。不过对于特定生命形式而言,对称的确是有好处的。例如,生物在行走或飞行时需要保持平衡。假如有只鸟的左右翅膀大小不一致,或者两侧翅膀的指向不同,就很难正常飞行。

但对称有时似乎与功能全然无关,而且这种对称现象在生物学的各个层级上都有体现,哪怕下至分子层面。当然也有例外,但对称似乎就是生物界的金科玉律。此外,有些生物的对称性似乎是与生俱来的,并不是为了更好地适应环境才进化出这种特征。因此我们需要重新提出一套与“适者生存”无关的假说。研究人员猜测,原因可能与数学有关。生物的DNA遗传编码并不是一套详细的生命蓝图,而更像一本“指导说明”。就像蜂巢一样,蜜蜂也没有蜂巢的施工图,并不知道蜂巢应该长什么模样。它们只是不断遵守和重复相同的规律,最后就能造出复杂的蜂巢结构。答案一定就隐藏在其中。

研究人员已经在这个框架基础上填补了许多细节,近期发表的一篇论文更是从数学角度增加了更多的严谨性。关键的确在于,如何用简单的算法创造出复杂的生命。假如你要向别人描述某种规律,比如铺瓷砖,你不需要告诉他们每块砖要放在哪里,只要描述瓷砖的铺贴需要遵循某种规律、直到将整个地面铺满为止。当然,这种方法只适合描述简单规律。如果要将马赛克瓷砖贴成某种图案,也许你就得详细说明每块砖要铺在哪了。

关键在于,对称是一种效率很高的算法,数学甚至有一个分支叫做“算法信息论”,属于信息论的子集。算法信息论最早是在针对进化的讨论中提出的,主要是因为神创论者总是彻底误解、甚至滥用信息论,将其作为发表虚假言论的工具。信息论学家经常会问:信息的可压缩性有多强?这和电脑程序将文件打成压缩包一个道理。此处有一个关键概念:完全随机的信息是不可压缩的,因为“随机”从定义上来说不含任何规律。而如果走向另一个极端,假设有一条由1000个1组成的长长的序列,你就可以把它们压缩为“1000个1”这么短短的一句话。简单的规律具有高度压缩性。

前面说到,DNA提供的是指令、而非蓝图。从某种意义上来说,DNA就像描述一个完整生物体全部信息的压缩包。如果生物长得过于不对称,就需要用更多DNA来描述;相反,如果重复规律很多,所需的DNA就较少。而重复规律往往就意味着对称。因此,对称的生物在算法上效率更高,信息压缩度更强,DNA也更高效。

但这足以解释自然界中对称设计的统治地位吗?这篇论文作者认为可以。不仅如此,他们还从概率的角度进一步论证了这种观点。越简洁的算法运作起来越简单,偶然发生的概率就越大,因此越可能在进化中出现。

论文作者用“无限只猴子和无限台打字机”的段子打了个比方。假设有无数只猴子在无数台打字机上随意敲打,我们不会指望其中某只猴子能打出莎士比亚的作品,而是关注它们能否打出某种可以用公式总结的规律。可以想象,出现简单公式的概率比复杂公式大得多。因此如果我们要用猴子随机打出的公式创造出对应的东西,大概率会用到简单的公式,产物也更容易呈现出对称性,就像铺瓷砖一样。

综上所述,虽然自然界中的部分对称性现象的确可以从生物适应的角度加以解释,但也可以解释为简单算法自带的概率优势。

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