為何對稱性如此普遍？答案其實很「簡單」
對稱性在生物世界中普遍的原因，是因為對稱所需的資訊含量較不對稱更為簡單。
撰文｜許翠庭
從植物的花朵，到動物的體制（body plan），甚至是生物體內微小的蛋白質分子，不論是輻射對稱或兩側對稱，「對稱性」在生物世界中屢見不鮮。然而，你是否曾經想過，為什麼橫跨動物界、植物界與其他生物，大部分的生物都演化出了對稱性呢？這究竟是單純的巧合，或是有其他原因呢？
在答案揭曉以前，我們先來複習一下：什麼是對稱性？輻射對稱和兩側對稱有什麼不一樣？
● 輻射對稱與兩側對稱
不論是植物的花朵，或動物的體制，對稱性都可分為兩種：輻射對稱（radial symmetry）和兩側對稱（bilateral symmetry）。其中，輻射對稱以點為中心，通過中心點的任一條直線，均可將物體分為一模一樣的兩半。因此，輻射對稱的動物或花朵只有頂部（top）和底部（bottom）的分別，沒有前後的分別。而兩側對稱則是以軸為中心，只有中線的那條軸才可將物體分為對稱的兩半。因此，兩側對稱的動物除了背部（dorsal）和腹部（ventral）的分別以外，還可分別出前端（anterior）和後端（posterior）。
由於兩側對稱動物有前端和後端的分別，動物開始有了具有「方向性」的運動。具方向性的運動使兩側對稱動物的神經組織往前端集中，位於動物體前端一團神經組織的集結，即為最原始的腦。這個現象稱為「頭化現象（cephalization）」。因此，我們可以說，兩側對稱的出現，促成了更複雜的神經系統形成。至於兩側對稱的花朵，雖然一般不會特別去定義花的背部和腹部，但也和兩側對稱動物一樣，可以沿著中線的那條軸分成一模一樣的兩半。
● 猴子與打字機的故事
現在讓我們暫時岔個題，來說說一個有名的故事：猴子與打字機。
演化生物學中有一個常見的譬喻：如果讓一群猴子在打字機上隨機亂敲，打出一首莎士比亞的十四行詩的機率微乎其微；然而，如果有無限多隻猴子，用無限長的時間在打字機上敲敲打打，儘管機率很低，但總有一天會產生莎士比亞的十四行詩。
這就好像隨機的突變：在一堆隨機的DNA分子中，要忽然突變出能產生翅膀、眼睛等複雜器官的基因幾乎不可能；但是，只要時間夠長，不論什麼樣的基因，都有可能突變出來。
然而，請大家注意一件事：在這個猴子與打字機的故事中，莎士比亞的十四行詩出現之前，一定會有無數更簡單、更短小的文句出現。這是因為莎士比亞的十四行詩很長，只要錯一個字，它就不是那首詩了；而一些短小的文句，因為字沒有那麼多，出錯的機率也沒有那麼高，也就更容易被打出來。
那麼，這個故事和我們的主題有什麼關聯呢？其實，提到這個故事的用意，是為了顯示出「簡單」的重要性。不要心急，讓我們繼續往下看。
● 對稱性成功的關鍵：簡單
現在回到正題：為什麼對稱性這麼常被演化出來呢？
挪威卑爾根大學數學系的強斯頓（Iain G. Johnston）和他的團隊利用電腦運算，證明了：需要的資訊越是簡單，就越容易被演化出來。這是因為在發育的過程中，需要的資訊越多，就越容易出錯；反之，需要的資訊越少，越不容易出錯，自然就容易被自然選擇保留下來。
至於為什麼對稱需要的資訊比較簡單呢？大家可以思考一下：不論是輻射對稱或兩側對稱，定義都在於能否把生物體分為「一模一樣」的兩半。「一模一樣」就是這個問題的關鍵：如果生物的形狀有很多變化，需要的資訊就會很龐雜；但是，如果只是「一模一樣」的模式複製貼上，資訊就簡單多了。這就好比假如你要指示朋友為一面牆貼上磁磚，若是你想用磁磚排成各種不同的花樣，你就需要每一步都給朋友指令，而指令越多，出錯的機率也越高；然而，若是你想用同樣的花樣重複排列，你只需要進行一次指令，再讓朋友不斷重複那項指令就好了。
因此，現在我們知道了：越是簡單的模式，越容易被天擇保留下來。人們常說簡單就是美，原來，除了美學上的意義以外，「簡單」也有天擇上的優勢喔！是不是很奇妙呢？
參考資料：
- Live Science. 2022. https://www.livescience.com/why-symmetry-common-in-biology
- Johnston et al. BIOPHYSICS AND COMPUTATIONAL BIOLOGY. 2022. https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2113883119