Basitlik Güzeldir: Doğada Simetri Neden Bir Çok Yerde Karşımıza Çıkar?

Yaşam, farklı biçimlerde ve boyutlarda varlığını sürdürse de, doğada simetri tüm organizmaların genellikle ortak bir özelliğidir.

Vücudunuzun sol ve sağ yarısının birbirini yansıtması, bir çiçeğin taç yapraklarının veya denizyıldızının kollarının dairesel düzeni doğadaki simetri örneklerinden sadece birkaçıdır.. Simetri, mikroskobik düzeyde de kendini gösterir. Pek çok mikrobun neredeyse küresel şekli veya farklı proteinlerin özdeş alt birimleri, bu yapının biyolojik dünyada ne kadar yaygın olduğunu gösterir.

Doğada simetrinin bu kadar sık görülmesi, simetrik tasarımların bir avantaj sağlayıp sağlamadığı sorusunu akla getirir. Bir mühendis için bunun cevabı açıktır. Simetri, modüler ve dayanıklı parçalar tasarlamak için kritik bir unsurdur. Bu parçalar, bir araya gelerek daha karmaşık yapılar oluşturabilir. Lego bloklarının kolayca birleştirilerek farklı şekillerde kullanılabilmesi buna iyi bir örnektir.

Biyologlar ise doğada simetrinin nedeni olarak, organizmalara sağladığı seçilim avantajlarını vurgular. Simetri, hareketin dengeli olmasını, organizmaların çevreleriyle daha verimli etkileşime girmesini ve genellikle çevresel baskılara karşı daha dayanıklı olmasını sağlar. Ancak simetrinin sağladığı herhangi bir adaptif avantaj, her ölçekte bu kadar yaygın olmasını açıklamak için yeterli değildir. Bir çalışma, doğadaki simetriye farklı bir bakış açısı ile bakmamızı sağlıyor.

Algoritmik Bilgi Teorisi Nedir?

Algoritmik Bilgi Teorisi, bir nesnenin veya verinin ne kadar bilgi içerdiğini ölçmek için kullanılan matematiksel bir çerçevedir. Geleneksel bilgi teorisine benzer olsa da, esas olarak bir verinin en kısa algoritmik tanımına odaklanır.

Bu teori, Rus matematikçi Andrey Kolmogorov, Amerikalı Gregory Chaitin ve Ray Solomonoff tarafından geliştirilmiştir. Teorinin temel kavramlarından biri olan Kolmogorov karmaşıklığı, bir veriyi üretmek için gereken en kısa algoritmanın uzunluğunu ifade eder.

“AAAAAAAAAAAAAAA” gibi tekrarlayan bir diziyi açıklamak için “15 tane A harfi yaz” şeklinde kısa bir komut yeterli olur. Bu nedenle, bu dizinin Kolmogorov karmaşıklığı düşüktür. Çünkü basit bir kural ile özetlenir.

Buna karşılık, “XQZ4J9WMPV…” gibi rastgele bir harf dizisi için en kısa açıklama, muhtemelen dizinin kendisini içeren bir program olacaktır. Rastgele dizilerde belirli bir desen veya kural bulunmadığından, bu tür dizilerin Kolmogorov karmaşıklığı yüksektir.

Doğada Simetri Algoritmik Sürecin Bir Sonucu Olabilir

Nükleik asitler ve proteinler, bilgi taşıyan moleküllerdir. Sadece bir organizmanın nasıl inşa edileceğini değil, aynı zamanda nasıl evrimleştiğini de belirlerler. Pek çok kuramcı, bilgiyi yaşamın temel yapı taşı olarak tanımlar. Fizikçi Freeman Dyson, ilişkiye dikkat çekerek, yaşamın kökeninin aslında bir bilgi işleme sisteminin başlangıcı olduğunu ifade etmiştir.

Araştırmacılar, simetrik yapıların daha az bilgi gerektirdiği için evrimsel süreçte daha sık ortaya çıkabileceğini öne sürüyor. Bu hipotezi test etmek için, protein komplekslerinde, RNA yapılarında ve gen ağlarında simetri örnekleri araştırıldı.

Protein alt birimleri, kompleks yapılar oluşturmak için birbirlerine arayüz yüzeyleri aracılığıyla bağlanır. Bir proteinin sahip olduğu olası arayüz sayısı arttıkça, karmaşıklığı da artar. Araştırmacılar, Protein Veri Bankası’ndaki mevcut protein yapılarını incelediklerinde, çoğu proteinin az sayıda arayüze sahip olduğunu fark etti.

Genel olarak doğa, düşük karmaşıklık ve yüksek simetriye sahip proteinler üretmeye eğilimlidir. Buna karşılık, yüksek karmaşıklık ve düşük simetriye sahip proteinler çok daha nadir görülür. Yapılan bilgisayar simülasyonları da benzer bir sonucu ortaya koydu.

Daha sonra araştırmacılar, bilim dünyasında sıkça kullanılan bir model organizma olan tomurcuklanan mayanın gen düzenleyici ağını simetri açısından inceledi. (Evet, ağlar da belirli şekillere sahiptir.) Yıllar içinde bilim insanları, mayanın hücre döngüsünü açıklayan diferansiyel denklemlerden oluşan bir model geliştirdi.

Araştırmacılar, bu denklemlerin parametrelerini rastgele değiştirerek genetik yapıların yerine geçen çok sayıda hücre döngüsü fenotipi simüle etti. Sonuçlar, daha az karmaşık fenotiplere karşı belirgin bir eğilim olduğunu gösterdi. Dahası, gerçek dünyadaki maya fenotipi, simüle edilen tüm fenotiplerden daha az karmaşıktı.

Modülarite, biyolojik sistemlerin bir diğer önemli özelliğidir. Lego blokları gibi, organizmalar da genetik veya biyokimyasal modülleri tasarruflu bir şekilde yeniden kullanarak yeni amaçlara uyarlar. Bu çalışma, modüler parçaların basitliğinin bu konuya da bir açıklama sunduğunu gösteriyor.

Sonuç Olarak

Bu çalışma, doğada simetri ve basitliğin yalnızca adaptif avantajlar nedeniyle değil, evrimin temel işleyiş biçimiyle bağlantılı olarak ortaya çıktığını gösteriyor. Basit ve modüler yapılar, organizmalara yeni işlevler kazanma ve çevresel değişimlere uyum sağlama konusunda avantaj sunarken, aynı zamanda doğal sürecin temel bir sonucu olarak kendiliğinden ortaya çıkıyor.

Kaynaklar ve ileri okumalar

• Johnston IG, Dingle K, Greenbury SF, Camargo CQ, Doye JPK, Ahnert SE, Louis AA. Symmetry and simplicity spontaneously emerge from the algorithmic nature of evolution. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Mar 15;119(11):e2113883119. doi: 10.1073/pnas.2113883119. Epub 2022 Mar 11. PMID: 35275794; PMCID: PMC8931234.
• Simple is beautiful: Why evolution repeatedly selects symmetrical structures. Yayınlanma tariri: 2 Mayıs 2022. Bağlantı: Simple is beautiful: Why evolution repeatedly selects symmetrical structures./

Size Bir Mesajımız Var!

Matematiksel, matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.

Matematiksel