قانونی جدید برای طبیعت: میل حیات به تقارن

تقارن در طبیعت فراوان است. هر زمان که تصاویر آینه‌ای تکرار می‌شوند، تقارن حاضر است؛ برای مثال دو نیمهٔ چپ و راست فیل‌ها یا پروانه‌ها، یا در الگوهای تکراری گلبرگ‌ها و بازوهای ستاره‌های دریایی حول یک نقطهٔ مرکزی. تقارن حتی در ساختار چیزهای ریزی نظیر پروتئین‌ها و RNA نیز پنهان است.

با این که عدم تقارن به طور قطع در طبیعت وجود دارد (مثل قلب ما که تنها در یک سمت سینه است، یا خرچنگ‌های ویولن‌زن که یک چنگال بزرگ دارند)، فرم‌های متقارن چنان فراوان در چیزهای زنده ظاهر می‌شوند که نمی‌توانند تصادفی باشند.

چرا تقارن اینگونه در طبیعت حکمرانی می‌کند؟ بیولوژیست‌ها پاسخی قطعی به این سوال ندارند — هیچ دلیلی بر پایهٔ انتخاب طبیعی برای غلبهٔ تقارن در فرم‌های متفاوت حیات و پایه و اساس آن‌ها وجود ندارد. اما حالا به نظر می‌رسد که یک پاسخ مناسب از حوزهٔ علوم کامپیوتر به این پرسش پیدا شده است.

در مقاله‌ای که به تازگی در ژورنال Proceedings of the National Academy of Sciences چاپ شده است، پژوهشگران ساختار هزاران پروتئین و RNA و همچنین یک شبکهٔ مدل مولکول‌هایی که خاموش و روشن شدن ژن‌ها را کنترل می‌کنند، آنالیز کرده‌اند.

آن‌ها در یافتند که تکامل به تقارت میل دارد، چون دستورالعمل‌های تولید تقارن ساده‌تر در کدهای ژنتیکی قرار می‌گیرند و خوانده می‌شوند. تقارن احتمالا بنیادی‌ترین کاربرد این ضرب المثل است: «هوشمندانه‌تر کار کنید، نه سخت‌تر.»

آرد لوییس (Ard Louis)، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد و یکی از نویسندگان مقاله، می‌گوید «مردم اغلب بسیار حیرت‌زده می‌شوند که تکامل می‌تواند این ساختارهای شگفت‌انگیز را تولید کند. ما داریم نشان می‌دهیم که این کار در حقیقت از چیزی که فکر می‌کنید ساده‌تر است.»

چیکو کامارگو (Chico Camargo)، از نویسندگان مقاله و استاد علوم کامپیوتر دانشگاه اکستر انگلستان، می‌گوید «درست مثل این است که ما یک قانون جدید در طبیعت کشف کرده‌ایم. این زیباست، چون دید شما به دنیا را تغییر می‌دهد.»

دکتر لوییس، دکتر کامارگو و همکارشان ایِن جانستون (Iain Johnston) زمانی کاوش ریشه‌های تکاملی تقارن را آغاز کردند که دکتر جانستون برای پروژهٔ دکتری خود شبیه‌سازی‌هایی را برای فهم چگونگی شکل‌گیری پوسته‌های پروتئینی ویروس‌ها اجرا می‌کرد. ساختارهایی که ظاهر می‌شدند، میل بالایی به تقارن داشتند؛ بسیار بیشتر از چیزی که تصادفی بودن محض اجازهٔ آن را بدهد.

پژوهشگران ابتدا غافلگیر شده بودند، اما این موضوع به عقل جور در می‌آمد — الگوریتم‌هایی که الگوهای ساده و تکرارشونده می‌سازند ساده‌تر حمل می‌شوند و خراب کردن آن‌ها سخت‌تر است.

دکتر جانستون، که در حال حاضر در دانشگاه برگن نروژ مشغول به کار است، این موضوع را به کاشی‌کاری کف شبیه می‌داند: دستورالعمل‌های کاشی‌کاری با ردیف‌های مشابه بسیار ساده‌تر از توضیح چگونگی ساخت یک هنر موزاییکی پیچیده هستند.

در طول یک دهه، این پژوهشگران و تیم تحقیقاتی‌شان این ایده را بر اجزای بیولوژیکی پایه اعمال کردند و به بررسی این مساله پرداختند که پروتئین‌ها چطور تجمع می‌کنند و RNA شکل می‌گیرد.

دکتر کامارگو می‌گوید «شکل‌هایی که ظاهر می‌شوند اغلب شکل‌های ساده‌تر هستند، یا شکل‌هایی که کمتر جنون‌آمیزند.»

تصور RNAها و پروتئین‌ها به عنوان ماشین‌های ورودی-خروجی کوچکی که دستورالعمل‌های ژنتیکی الگوریتمی را اجرا می‌کنند، میل به تقارن را به نحوی توضیح می‌دهد که ایدهٔ داروینی «بقای سازگارترین‌ها» قادر به آن نبوده است.

چون رمزگذاری دستورالعمل‌های ساخت ساختارهای ساده و متقارن آسان‌تر است، طبیعت، وقتی پای انتخاب طبیعی وسط می‌آید، تعداد بسیاری از این دستورالعمل‌های ساده را بر می‌گزیند. به گفته دکتر کامارگو، این باعث می‌شود تکامل یک بازی تماما تصادفی نباشد و نسبت الگوهای متقارن بالاتر رود.

با این که این مقاله روی ساختارهای میکروسکوپی تمرکز دارد، این پژوهشگران عقیده دارند که این منطق را می‌توان به ارگانیسم‌های پیچیده‌تر نیز تعمیم داد.

دکتر جانستون می‌گوید «بسیار با عقل جور در می‌آید که برای مثال طبیعت از یک برنامهٔ ثابت برای تولید یک گلبرگ استفاده کند، به جای این که برای هر کدام از ۱۰۰ گلبرگ گل آفتابگردان یک برنامهٔ جداگانه داشته باشد.»

هولو گابور (Holló Gábor)، زیست‌شناس دانشگاه دبرتسن مجارستان، می‌گوید با این که همچنان شکاف بزرگی بین اثبات آماری تقارن در حیات میکروسکوپی و تقارنی که در گیاهان و حیوانات می‌بینیم وجود دارد، او از نتایج این پژوهش هیجان‌زده است.

او می‌گوید «این قدم مهمی است برای توضیح این که این ویژگی ذاتی و جهانی چطور در تکامل و در طبیعت ظاهر می‌شود.»

همچنین دکتر لوییس سئوآنه (Luís Seoane)، پژوهشگر سیستم‌های پیچیده در مرکز ملی بیوتکنیک اسپانیا، با تمجید از این پژوهش معتبر می‌گوید «جنگی بین سادگی و پیچیدگی در جریان است و ما درست در لبهٔ آن زندگی می‌کنیم.»

به گفتهٔ او، جهان روز به روز به سمت تصادفی بودن پیش می‌رود، اما این ساختارهای ساده و متقاورن به ما کمک می‌کنند که از این پیچیدگی سر در آوریم.