แม่ธรรมชาติชอบความสมมาตรและความเรียบง่าย

โครงสร้างทางชีววิทยามักแสดงโมดูลาร์และความสมมาตร แต่ต้นกำเนิดของแนวโน้มดังกล่าวไม่เป็นที่เข้าใจกันดีนัก การสมมติโดยการเปรียบเทียบกับการออกแบบทางวิศวกรรมนั้นเป็นเรื่องที่น่าดึงดูดใจ การที่สมมาตรและโมดูลาร์เกิดขึ้นจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม วิวัฒนาการซึ่งแตกต่างจากวิศวกรคือไม่สามารถวางแผนล่วงหน้าได้ ดังนั้นคุณลักษณะเหล่านี้จึงต้องให้ความได้เปรียบในการคัดเลือกในทันที ซึ่งยากต่อการกระทบยอดกับความกว้างของระบบที่มีการสังเกตความสมมาตร

ในบทความฉบับใหม่ที่ตีพิมพ์ใน Proceedings of the National Academy of Sciences นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำสมมติฐานทางเลือกตามภาพอัลกอริธึมของวิวัฒนาการ มันแนะนำว่าโครงสร้างที่สมมาตรมักเกิดขึ้นไม่เพียงเพราะการคัดเลือกโดยธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังเป็นเพราะพวกเขาต้องการข้อมูลเฉพาะน้อยกว่าในการเข้ารหัส ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะปรากฏเป็นความแปรผันทางพันธุกรรมผ่านการกลายพันธุ์แบบสุ่ม

ตั้งแต่เกล็ดหิมะไปจนถึงดอกทานตะวัน ปลาดาวไปจนถึงฉลาม ความสมมาตรมีอยู่ทุกหนทุกแห่งในธรรมชาติ

ไม่เพียงแค่แผนของร่างกายที่ควบคุมรูปร่างและรูปแบบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกลไกระดับโมเลกุลด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ช่วยให้เซลล์มีชีวิต

แม้ว่าในโลกธรรมชาติจะมีคอลเล็กชั่นรูปแบบอสมมาตรจำนวนมาก แต่รูปแบบสมมาตรก็ดูเหมือนจะเกิดขึ้นบ่อยกว่าที่คุณคาดคิดหากเกิดจากความบังเอิญโดยบังเอิญ

เป็นเรื่องน่าดึงดูดที่จะสันนิษฐานว่าวิวัฒนาการกำลังมองหาข้อดีของรูปทรงโมดูลาร์ที่เรียบง่ายและสมมาตร เช่นเดียวกับวิศวกร สถาปนิก และนักออกแบบเฟอร์นิเจอร์ชาวสวีเดน

อย่างไรก็ตาม นักชีววิทยาจะชี้ให้เห็นว่าวิวัฒนาการทำงานทีละรุ่น — แทนที่จะทำการปรับเปลี่ยนเพื่อประโยชน์ในอนาคต — และจำเป็นต้องมีข้อได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการทันทีสำหรับการกลายพันธุ์ที่จะเกาะติด

ในขั้นตอนนี้ การเตือนตัวเองว่ามีสองขั้นตอนในการพัฒนาวิวัฒนาการ

ประการแรกคือการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะทางกายภาพเฉพาะ (ฟีโนไทป์) และประการที่สองคือการคัดเลือกโดยธรรมชาติที่นำไปสู่ลักษณะบางอย่างที่ครอบงำเหนือผู้อื่น

ศาสตราจารย์ Ard Louis แห่งมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดกล่าวว่า “ทฤษฎีวิวัฒนาการส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ขั้นตอน ‘การอยู่รอดของผู้ที่เหมาะสมที่สุด’ ครั้งที่สอง

“แต่จะเกิดอะไรขึ้นหากขั้นตอน ‘การมาถึงของการเปลี่ยนแปลง’ ครั้งแรกมีความเอนเอียงอย่างมากต่อฟีโนไทป์ที่มีความสมมาตรหรือความเป็นโมดูลสูง นั่นอาจนำไปสู่อคติต่อลักษณะเหล่านี้ที่เราสังเกตได้ในธรรมชาติ”

ศาสตราจารย์หลุยส์และเพื่อนร่วมงานได้รวบรวมข้อมูลจากกลุ่มโปรตีน โมเลกุลอาร์เอ็นเอ และวงจรทั่วไป และพบว่าแม้จะมีรูปร่างและโครงสร้างที่แตกต่างกันมากมาย แต่ก็มีอคติที่น่าตกใจต่อความสมมาตรของโครงสร้างอย่างง่าย

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ในระบบชีวภาพเดียวกันได้ยืนยันอคติในธรรมชาติ การจำลองคลัสเตอร์โปรตีนด้วยรูปร่างโครงสร้างที่เป็นไปได้ 13,079,255 แบบที่แตกต่างกัน มีเพียงห้ารูปร่างที่มีความสมมาตรของสี่เหลี่ยมจัตุรัส

ทุกสิ่งเท่าเทียมกัน หมายความว่าจะมีโอกาสห้าในสิบสามล้านที่สี่เหลี่ยมธรรมดานั้นจะถูกส่งคืน

ทว่าการใช้อัลกอริธึมวิวัฒนาการกลับคืนหนึ่งในห้าสี่เหลี่ยมธรรมดาๆ เหล่านั้น 30% ของเวลาทั้งหมด

ผู้เขียนศึกษาใช้วิทยาการคอมพิวเตอร์เป็นความลับเบื้องหลังการใช้มืออันคล่องแคล่วของธรรมชาติ ขณะที่พวกเขายังคงตรวจสอบอคติต่อไป

ในทฤษฎีข้อมูลอัลกอริทึม (AIT) ความซับซ้อนของวัตถุวัดจากความยาวของคำอธิบายที่สั้นที่สุด

ตัวอย่างเช่น ลำดับของตัวอักษร AB หนึ่งล้านครั้งสามารถอธิบายได้ว่ามีการทำซ้ำ AB หนึ่งล้านครั้งหรือลำดับที่สมบูรณ์ของ ABABAB อย่างครบถ้วน

คำอธิบายที่สั้นกว่านั้นซับซ้อนน้อยกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก — 28 อักขระมากกว่าล้านอักขระ ลำดับแบบสุ่มที่ไม่มี ‘ชวเลข’ ใด ๆ ที่จะอธิบายได้ว่ามันจะซับซ้อนอย่างแท้จริง

“การทำตามคำแนะนำที่บอกว่า ‘ทำเช่นนี้แล้วทำซ้ำ x ครั้ง’ จะมีประสิทธิภาพมากกว่าการทำตามคำแนะนำโดยละเอียดทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับรูปร่างที่ไม่สมมาตรที่ซับซ้อนมากขึ้น” ศาสตราจารย์หลุยส์กล่าว

แนวคิดที่ว่าธรรมชาติมักจะปฏิบัติตามชุดคำสั่งที่ซับซ้อนน้อยกว่า ซึ่งทำตามได้ง่ายกว่านั้น อยู่เบื้องหลังข้อความสำคัญของบทความนี้ ซึ่งก็คือแนวคิดเรื่องอคติในการพัฒนาที่ชัดเจน

นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่าแนวคิดของดาดฟ้าที่ซ้อนกันด้วยรูปทรงที่กำหนดโดย ‘คำแนะนำ’ ที่สั้นกว่าและง่ายกว่า ณ จุดของรูปแบบฟีโนไทป์ให้คำอธิบายที่ดีกว่ามากสำหรับความไม่น่าจะเป็นไปได้ทางสถิติของรูปทรงสมมาตรจำนวนมากในธรรมชาติ

ศาสตราจารย์หลุยส์กล่าวว่า “คำถามที่ว่าอคติในการมาถึงของการเปลี่ยนแปลงนั้นมีผลกระทบต่อผลลัพธ์ทางวิวัฒนาการหรือไม่นั้นได้รับการโต้แย้งกันอย่างสูงเป็นเวลาหลายทศวรรษ

“ตัวอย่างของเรานั้นง่ายพอที่จะช่วยให้เราสามารถตอบคำถามนี้แบบตรงไปตรงมา โดยผลลัพธ์ที่ชัดเจนชี้ให้เห็นถึงความสำคัญที่สำคัญของอคติดังกล่าว”

ธรรมชาติชอบความสมมาตรและความเรียบง่าย – University of Oxford

งานวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ใน Proceedings of the National Academy of Sciences โดยนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Oxford ชี้ว่า Mother Nature เป็นสิ่งที่โปรดปรานและเธอเชื่อในความงดงามของความเรียบง่าย

ตั้งแต่เกล็ดหิมะไปจนถึงดอกทานตะวัน ปลาดาวไปจนถึงฉลาม ความสมมาตรมีอยู่ทุกหนทุกแห่งในธรรมชาติ ไม่เพียงแค่แผนของร่างกายที่ควบคุมรูปร่างและรูปแบบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกลไกระดับโมเลกุลด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ช่วยให้เซลล์มีชีวิต

แม้ว่าในโลกธรรมชาติจะมีคอลเล็กชั่นรูปแบบอสมมาตรจำนวนมาก แต่รูปแบบสมมาตรก็ดูเหมือนจะเกิดขึ้นบ่อยกว่าที่คุณคาดคิดหากเกิดจากความบังเอิญโดยบังเอิญ

เป็นเรื่องน่าดึงดูดที่จะสันนิษฐานว่าวิวัฒนาการกำลังมองหาข้อดีของรูปทรงโมดูลาร์ที่เรียบง่ายและสมมาตร เช่นเดียวกับวิศวกร สถาปนิก และนักออกแบบเฟอร์นิเจอร์ชาวสวีเดน

อย่างไรก็ตาม นักชีววิทยาจะชี้ให้เห็นว่าวิวัฒนาการทำงานทีละรุ่น แทนที่จะทำการปรับเปลี่ยนเพื่อประโยชน์ในอนาคต และจำเป็นต้องมีข้อได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการในทันทีเพื่อให้การกลายพันธุ์ติดอยู่

ในขั้นตอนนี้ การเตือนตัวเองว่ามีสองขั้นตอนในการพัฒนาวิวัฒนาการ ประการแรกคือการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะทางกายภาพเฉพาะ (ฟีโนไทป์) และประการที่สองคือการคัดเลือกโดยธรรมชาติที่นำไปสู่ลักษณะบางอย่างที่ครอบงำเหนือผู้อื่น

‘ทฤษฎีวิวัฒนาการส่วนใหญ่เน้นไปที่ขั้นตอนที่สองของ “การอยู่รอดของผู้ที่เหมาะสมที่สุด” แต่จะเกิดอะไรขึ้นหากขั้นตอน “การมาถึงของการเปลี่ยนแปลง” ครั้งแรกมีความเอนเอียงอย่างมากต่อฟีโนไทป์ที่มีความสมมาตรหรือความเป็นโมดูลสูง นั่นอาจนำไปสู่อคติต่อลักษณะเหล่านี้ที่เราสังเกตเห็นในธรรมชาติ” ศาสตราจารย์อาร์ด หลุยส์ ผู้เขียนร่วม ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด กล่าว

นักวิจัยรวบรวมข้อมูลจากกลุ่มโปรตีน โมเลกุลอาร์เอ็นเอ และวงจรทั่วไป และพบว่าแม้จะมีรูปร่างและโครงสร้างที่แตกต่างกันมากมาย แต่ก็มีอคติที่น่าตกใจต่อความสมมาตรของโครงสร้างอย่างง่าย

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ในระบบชีวภาพเดียวกันได้ยืนยันอคติในธรรมชาติ การจำลองคลัสเตอร์โปรตีนด้วยรูปร่างโครงสร้างที่เป็นไปได้ 13,079,255 แบบที่แตกต่างกัน มีเพียงห้ารูปร่างที่มีความสมมาตรของสี่เหลี่ยมจัตุรัส ทุกสิ่งเท่าเทียมกัน หมายความว่าจะมีโอกาสห้าในสิบสามล้านที่สี่เหลี่ยมธรรมดานั้นจะถูกส่งคืน ซึ่งค่อนข้างเหมือนกับการสุ่มวิ่งเข้าไปในคนห้าคนโดยเฉพาะจากประชากรทั้งหมดในโตเกียว ทว่าการใช้อัลกอริธึมวิวัฒนาการกลับคืนหนึ่งในห้าสี่เหลี่ยมธรรมดาๆ เหล่านั้น 30% ของเวลาทั้งหมด

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ blinksource.com