生命為什麼總是對稱的?

北京時間3月23日消息,據國外媒體報道,幾乎所有生物都不約而同地長成了對稱的模樣,也許這就是人類在審美上偏向於對稱的原因。但為何會出現這種現象呢?有那麼多可能存在的生命形式,為什麼進化對於對稱似乎格外情有獨鍾呢?

也許長得對稱具有一定的功能優勢,但這種優勢似乎並不明顯,至少不足以成為生物界的通用規則。不過對於特定生命形式而言,對稱的確是有好處的。例如,生物在行走或飛行時需要保持平衡。假如有隻鳥的左右翅膀大小不一致,或者兩側翅膀的指向不同,就很難正常飛行。

生命為什麼總是對稱的?

但對稱有時似乎與功能全然無關,而且這種對稱現象在生物學的各個層級上都有體現,哪怕下至分子層面。當然也有例外,但對稱似乎就是生物界的金科玉律。此外,有些生物的對稱性似乎是與生俱來的,並不是為了更好地適應環境才進化出這種特徵。因此我們需要重新提出一套與“適者生存”無關的假說。研究人員猜測,原因可能與數學有關。生物的DNA遺傳編碼並不是一套詳細的生命藍圖,而更像一本“指導說明”。就像蜂巢一樣,蜜蜂也沒有蜂巢的施工圖,並不知道蜂巢應該長什麼模樣。它們只是不斷遵守和重複相同的規律,最後就能造出複雜的蜂巢結構。答案一定就隱藏在其中。

研究人員已經在這個框架基礎上填補了許多細節,近期發表的一篇論文更是從數學角度增加了更多的嚴謹性。關鍵的確在於,如何用簡單的算法創造出複雜的生命。假如你要向別人描述某種規律,比如鋪瓷磚,你不需要告訴他們每塊磚要放在哪裡,只要描述瓷磚的鋪貼需要遵循某種規律、直到將整個地面鋪滿為止。當然,這種方法只適合描述簡單規律。如果要將馬賽克瓷磚貼成某種圖案,也許你就得詳細說明每塊磚要鋪在哪了。

關鍵在於,對稱是一種效率很高的算法,數學甚至有一個分支叫做“算法信息論”,屬於信息論的子集。算法信息論最早是在針對進化的討論中提出的,主要是因為神創論者總是徹底誤解、甚至濫用信息論,將其作為發表虛假言論的工具。信息論學家經常會問:信息的可壓縮性有多強?這和電腦程序將文件打成壓縮包一個道理。此處有一個關鍵概念:完全隨機的信息是不可壓縮的,因為“隨機”從定義上來說不含任何規律。而如果走向另一個極端,假設有一條由1000個1組成的長長的序列,你就可以把它們壓縮為“1000個1”這麼短短的一句話。簡單的規律具有高度壓縮性。

前面說到,DNA提供的是指令、而非藍圖。從某種意義上來說,DNA就像描述一個完整生物體全部信息的壓縮包。如果生物長得過於不對稱,就需要用更多DNA來描述;相反,如果重複規律很多,所需的DNA就較少。而重複規律往往就意味着對稱。因此,對稱的生物在算法上效率更高,信息壓縮度更強,DNA也更高效。

但這足以解釋自然界中對稱設計的統治地位嗎?這篇論文作者認為可以。不僅如此,他們還從概率的角度進一步論證了這種觀點。越簡潔的算法運作起來越簡單,偶然發生的概率就越大,因此越可能在進化中出現。

論文作者用“無限只猴子和無限台打字機”的段子打了個比方。假設有無數只猴子在無數台打字機上隨意敲打,我們不會指望其中某隻猴子能打出莎士比亞的作品,而是關注它們能否打出某種可以用公式總結的規律。可以想象,出現簡單公式的概率比複雜公式大得多。因此如果我們要用猴子隨機打出的公式創造出對應的東西,大概率會用到簡單的公式,產物也更容易呈現出對稱性,就像鋪瓷磚一樣。

綜上所述,雖然自然界中的部分對稱性現象的確可以從生物適應的角度加以解釋(特別是與保持平衡相關的對稱),但也可以解釋為簡單算法自帶的概率優勢。(葉子)

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