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

來源:Motion Elements

 

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。

來源:許翠庭

 

● 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:

  1. Live Science. 2022. https://www.livescience.com/why-symmetry-common-in-biology
  2. Johnston et al. BIOPHYSICS AND COMPUTATIONAL BIOLOGY. 2022. https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2113883119

 

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