科学家发现纯数学与遗传学之间存在惊人的联系

我们知道，生物体的基因型是由DNA序列组成的，而表型是由基因型所编码的特征，比如眼睛的颜色、身体的形状或者蛋白质的结构。基因型和表型之间的关系被称为基因型-表型映射（GP映射），它是生物进化的核心机制之一。GP映射决定了一个生物体在面对突变时能否保持其表型不变，或者能否产生新的表型变异的能力。这种能力被称为突变稳健性，它是衡量GP映射质量的一个重要指标。

突变稳健性可以分为两种：基因型稳健性和表型稳健性。基因型稳健性是指一个给定的基因型在发生突变后仍然保持相同的表型的概率。表型稳健性则是指所有映射到一个给定表型的基因型的平均基因型稳健性。表型稳健性反映了一个表型在GP映射中所占据的空间大小，也就是说，它反映了一个表型有多少个不同的基因型可以实现。表型稳健性越高，意味着一个表型越容易在进化过程中被发现和保留，也越容易在中性漂变中探索新的表型变异。

那么，什么样的GP映射可以使表型稳健性达到最大呢？这个问题并不容易回答，因为GP映射有很多种可能的形式和复杂度。为了简化问题，我们可以考虑一些理想化的模型，比如二进制字符串作为基因型，而某些离散值作为表型。这样，我们就可以用数学和计算机科学的工具来分析和模拟GP映射。

在最近发表的一篇论文中，作者使用了编码理论和数论的一些结果，来证明了一个非常有趣和美丽的定理：在二进制字符串上定义的GP映射中，当且仅当基因型被组织成砖瓦图（bricklayer’s graphs）时，表型稳健性才能达到最大值。砖瓦图是一种特殊的哈明图（Hamming graph），它类似于砌墙工人如何填充一个哈明图。哈明图是一种用来表示二进制字符串之间距离的图形结构。砖瓦图是哈明图中一种具有高度对称性和规则性的子图，它可以用一种递归的方式来构造。

作者还给出了这个最大值是多少，并且发现它是由一个分形函数给出的，这个函数叫做布朗芒函数（blancmange function），也叫做数字和函数（sums-of-digits function）。这个函数是连续但无处可导，它的性质非常奇妙，可以用来描述一些自然界中的现象，比如山脉的轮廓或者海岸线的长度。

更令人惊讶的是，作者发现了一些真实的GP映射，比如RNA二级结构和HP模型的蛋白质折叠，它们的表型稳健性竟然恰好等于这个理论上的最大值！这说明了这些GP映射具有非常高的优化程度，也说明了这个理论结果在生物学上具有重要的意义。

作者还探讨了当表型被粗粒化时，表型稳健性会如何变化，并且推导出了一个公式和一些界限，来描述不同粒度的表型之间的转换概率。粗粒化是指将一些细节相似或者功能相似的表型合并成一个更大的表型类别，这样可以简化GP映射的复杂度，也可以揭示一些更高层次的规律。

总之，这篇论文展示了一个非常优美和深刻的结果，它将数学、物理、计算机和生物学等多个领域的知识和方法结合起来，揭示了GP映射中的一个普遍性质。它不仅提供了一个理解和评估GP映射质量的工具，也为进一步探索GP映射中的其他特征和规律提供了启发和灵感。