Математики объяснили модульное строение биологических систем

Биологам давно известно, что биологические системы построены по модульному принципу. Это хорошо заметно на разных уровнях строения организмов. Модульностью обладают сети взаимодействия генов и белков в клетке, сети нейронов, кровеносная система, и так далее.

Модульность позволяет заменять одни компоненты другими, не меняя общую схему работы системы. Однако, до сих пор ученые не могли ответить на вопрос, как то, что ускоряет эволюцию, само возникло в результате эволюции.

Ученые-теоретики решили выяснить, что именно являлось двигателем отбора в пользу модульных систем. Они провели две параллельные симуляции эволюции нейронных сетей, в которых эти сети должны были научиться распознавать определенный набор сигналов. Те сети из первоначального набора, которые делали это лучше других, «размножались» и давали множество похожих, но не идентичных новых сетей.

Параллельно проводилось два отбора: отбор по критерию качества распознавания сигнала и отбор, где также учитывалось количество затраченных ресурсов. Во втором случае сети, содержащие большее число связей при одинаковом качестве распознавания, считались неэффективными и исключались из отбора.

Через некоторое количество циклов эволюции ученые проанализировали топологию образовавшихся сетей. Оказалось, что в сетях, где ресурсы не экономились и количество связей не учитывалось, возникла «мешанина» из связей. В параллельной симуляции, где экономия ресурсов была важна для эффективности, сети образовывали четкие модули, компоненты которых плотно связаны друг с другом и слабо — с остальной системой. Такие сети в дальнейшем могли эволюционировать быстрее за счет копирования и перетасовки готовых компонентов.

Как отмечает Lenta.Ru, сети с похожим строением и свойствами (например, безмасштабные) можно одинаково легко найти в мозге, ДНК, транспортной инфраструктуре или социальных медиа.