Mère Nature préfère la symétrie et la simplicité, disent les chercheurs

Les structures biologiques présentent fréquemment une modularité et une symétrie, mais l’origine de ces tendances n’est pas bien comprise. Il peut être tentant de supposer – par analogie avec la conception technique – que la symétrie et la modularité découlent de la sélection naturelle. Cependant, l’évolution, contrairement aux ingénieurs, ne peut pas planifier à l’avance, et ces traits doivent donc également offrir un avantage sélectif immédiat qui est difficile à concilier avec l’étendue des systèmes où la symétrie est observée. Dans un nouvel article publié dans le Actes de l’Académie nationale des sciences, les scientifiques introduisent une hypothèse alternative basée sur une image algorithmique de l’évolution ; cela suggère que les structures symétriques apparaissent préférentiellement non seulement en raison de la sélection naturelle, mais aussi parce qu’elles nécessitent moins d’informations spécifiques pour être codées et sont donc beaucoup plus susceptibles d’apparaître sous forme de variation génétique par le biais de mutations aléatoires.

Tournesol. Crédit photo : Mabel Amber.

Des flocons de neige aux tournesols, des étoiles de mer aux requins, la symétrie est partout dans la nature.

Pas seulement dans les plans corporels qui régissent la forme et la forme, mais jusque dans les machines moléculaires microscopiques qui maintiennent les cellules en vie.

Bien qu’il existe une plus grande collection de formes asymétriques dans le monde naturel, les motifs symétriques semblent se produire plus souvent que prévu s’ils étaient dus au pur hasard.

Il est tentant de supposer que l’évolution se penche sur les avantages de formes simples, modulaires et symétriques, tout comme le font les ingénieurs, les architectes et les designers de meubles suédois.

Lire aussi  Le centenaire de HMV montre qu'il y a encore de la vie dans les médias physiques

Les biologistes, cependant, souligneront que l’évolution fonctionne une génération à la fois – plutôt que de faire des adaptations pour des avantages futurs – et qu’il doit y avoir un avantage évolutif immédiat pour qu’une mutation persiste.

À ce stade, il est utile de se rappeler qu’il existe deux étapes dans le développement évolutif.

La première est la mutation génétique qui provoque une variation d’une caractéristique physique particulière (un phénotype) et la seconde est la sélection naturelle qui conduit à la domination de certains traits sur d’autres.

“La plupart des théories de l’évolution se concentrent sur la deuxième étape de la ‘survie du plus apte'”, a déclaré le professeur Ard Louis de l’Université d’Oxford.

« Mais que se passe-t-il si la première étape « d’arrivée de la variation » est fortement biaisée en faveur de phénotypes riches en symétrie ou en modularité. Cela pourrait-il conduire à un biais envers ces traits que nous observons dans la nature ?

Le professeur Louis et ses collègues ont rassemblé des données provenant de clusters de protéines, de molécules d’ARN et de circuits génériques et ont découvert que, malgré la myriade de formes et de structures différentes, il existait un biais surprenant en faveur d’une symétrie structurelle simple.

L’exécution de simulations informatiques sur les mêmes systèmes biologiques a confirmé le biais dans la nature. Une simulation de cluster de protéines avec 13 079 255 formes de structure possibles différentes n’avait que cinq formes avec la symétrie d’un carré.

Toutes choses étant égales par ailleurs, cela signifie qu’il y aurait cinq chances sur treize millions que ce simple carré soit retourné.

Pourtant, l’application de l’algorithme évolutionnaire a renvoyé l’un de ces cinq carrés simples 30 % du temps.

Lire aussi  Les hommes pètent plus lorsqu'ils suivent un régime à base de plantes en raison des bonnes bactéries intestinales

Les auteurs de l’étude se sont tournés vers l’informatique pour découvrir le secret derrière le tour de passe-passe de la nature alors qu’ils poursuivaient leur enquête sur le biais.

Dans la théorie algorithmique de l’information (AIT), la complexité d’un objet est mesurée par la longueur de sa description la plus courte.

Par exemple, une séquence des lettres AB un million de fois pourrait être décrite soit comme un million de répétitions de AB, soit comme la séquence complète d’ABABAB dans son intégralité.

La description plus courte est moins complexe et considérablement plus efficace – 28 caractères, plutôt qu’un million de caractères. Une séquence aléatoire sans “sténographie” possible pour la décrire serait vraiment complexe.

“Il est beaucoup plus efficace de suivre une instruction qui dit” faites ceci, puis répétez-le x fois “, que de suivre toutes les instructions détaillées requises pour une forme asymétrique plus complexe”, a déclaré le professeur Louis.

L’idée que la nature suit souvent un ensemble d’instructions moins complexes, qui sont plus simples à suivre, est derrière le message clé de l’article – la notion d’un biais développemental distinct.

Les scientifiques suggèrent que l’idée d’un jeu empilé avec des formes telles que prescrites par des “instructions” plus courtes et plus simples au point de variation du phénotype offre une bien meilleure explication de l’improbabilité statistique de tant de formes symétriques dans la nature.

“La question de savoir si oui ou non le biais dans l’arrivée de la variation a un impact sur les résultats évolutifs est très contestée depuis de nombreuses décennies”, a déclaré le professeur Louis.

Lire aussi  À la recherche des lumières de la ville sur d'autres planètes

“Nos exemples sont suffisamment simples pour nous permettre d’aborder cette question de front, avec des résultats clairs indiquant l’importance cruciale d’un tel biais.”

_____

Iain G.Johnston et al. 2022. La symétrie et la simplicité émergent spontanément de la nature algorithmique de l’évolution. PNAS 119 (11) : e2113883119 ; doi : 10.1073/pnas.2113883119

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Recent News

Editor's Pick