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傑夫·哈茲是加州大學聖地牙哥分校合成生物學的先驅，他花了20年的時間設計各種策略，使工程細菌中的基因迴路協同工作。但幾年前，哈茲不得不承認，即使是他也無法戰勝不起眼的大腸桿菌。
在設計有用的、受到嚴格控制的新基因性狀或讓它們在細胞中發揮作用方面，哈茲沒有遇到任何問題。這是容易的部分。他發現，更難的是保持這些特質。如果一個細胞需要轉移一些資源來製造所需的蛋白質，那麼它就會比不合成蛋白質的細胞略差一些。不可避免的是，細胞會發生突變，使引入的遺傳迴路失去活性，突變體會迅速取代原來的細胞。結果，想要的特徵消失了，通常在36小時內。
「這不是一個如果的問題，而是一個時間的問題，」哈茲說。
多年來，哈茲一直在觀察變異的大腸桿菌，甚至使他的工程系統失效。但是去年9月，在《科學》雜誌上，他的博士生廖子建和他們的同事設計了一種策略，通過一種「微生物同伴壓力」來阻止即使是最容易變異的細菌。UCSD團隊使用了三種協同工作的大腸桿菌工程菌株。每個菌株產生一種毒素，一種用於自身保護的抗毒素，以及一種用於對抗其他菌株之一的第二種抗毒素。第一株可以殺死第二株，但不能殺死第三株。第二個可以殺死第三個，但不能殺死第一個；第三個可以殺死第一個，但不能殺死第二個。
這種循環的拮抗作用意味著，通過依次添加菌株，研究人員可以保持工程大腸桿菌的高數量，同時確保有害的突變體被新來者的毒素消滅。細胞間的生態相互作用穩定了系統。
加州大學聖地牙哥分校生物動力學和合成生物學博士生廖子建幫助開發了一個工程細菌系統，通過石頭、剪刀、布的相互作用來穩定自身。當廖偶然發現其他科學家已經開始關注這一策略時，這個項目已經接近完成。數十年來，生態學和進化學的研究人員一直在努力尋找一個可能的答案，來回答他們所在領域的一個主要問題：這麼多的生物多樣性是如何在自然界中生存的？這種策略更廣為人知的是一種遊戲，全世界的孩子們都用它來解決爭吵。
這個遊戲是石頭-剪刀-布，「博弈論和進化理論中的經典遊戲，」加州大學聖克魯茲分校的數學生物學家巴裡·西納沃說。他對側斑蜥蜴的實地研究，幫助確立了它與生態系統的相關性。
遊戲規則很簡單：石頭打敗剪刀，剪刀打敗布，布打敗石頭。沒有一個玩家擁有優勢，無論他們選擇什麼項目，獲勝的機會都是均等的。當兩個人玩的時候，總會有一個明確的勝利者。然而，如果加入更多玩家，遊戲就會變得更加複雜，不同策略的成功往往會周期性地起起落落。
研究石頭-剪刀-布的生物學家已經模擬出幾十個甚至幾百個物種是如何玩這個遊戲的。他們還研究了當物種在不同的環境中相互作用，以及當物種的流動性和競爭力不同時，它是如何變化的。他們發現，隨著時間的推移，石頭、剪刀、布可能會使許多物種在同一地區共存。
科學家們仍在確定遊戲對生命系統的真正重要性，但他們的發現可能會影響進化論、我們對生態動力學、生物技術和保護政策的理解。「這是一個全球通用的遊戲，非常簡潔，」Sinervo說。「石頭剪刀布覆蓋了整個生物宇宙。」
豐度方程
當查爾斯·達爾文在1859年發表他的自然選擇理論時，個體之間的競爭提供了進化背後的力量。在達爾文最初的工作之後的150多年的實驗證實，競爭確實是一種主要的進化力量。
如果單純的競爭是唯一的進化力量，那麼數十億年後，只有少數高度競爭的物種應該被保留下來。相反，這個星球上生活著數量驚人的生命。幾乎不可能估算出地球所居住的物種數量；最近的一次嘗試將其固定在20億左右，但是早期的範圍在1000萬到1萬億之間。僅亞馬遜低地雨林就有6700多種樹和7300 種其他種子植物種，這些數字還沒有開始計算伴隨的昆蟲，哺乳動物，真菌和微生物。
瑞士蘇黎世聯邦理工學院的生態學家丹尼爾·梅納德說：「我們環顧四周，發現在一公頃的森林裡生活著數千甚至數百萬的微生物。」「不管你做什麼，他們都會活下來。它不像一個人撕裂整個社區，擊敗其他一切。」
解釋生物多樣性的第一個突破不是來自生態學，而是來自數學。1910年，美國生物物理學家和統計學家阿爾弗雷德·洛特卡開發了一系列方程來描述某些化學反應。到1925年，他已經認識到，同樣的方程式可以用來描述捕食者和被捕食者種群的周期性升降。一年後，義大利數學家和物理學家維託·沃爾泰拉獨立地開發出了同樣的一套方程。
他們的工作表明了食肉動物的數量如何取決於獵物的數量。澳大利亞昆士蘭大學的生態學家瑪格麗特梅菲爾德表示，這種見解可能顯而易見，但洛特卡和沃爾泰拉的方程在他們那個時代是開創性的，因為它們為生態學家提供了一種開始測量和建模自然界的方法。
然而，這些方程並不完美。他們基於有用但過於簡單的假設，他們不能代表非捕食者和被捕食者之間的關係，而是競爭資源。
然而，這種情況在1975年開始改變，當時數學家羅伯特·梅和沃倫·倫納德採用了經典的洛特卡-沃爾泰拉方程，用於生態學家所稱的不及物競爭。當競爭是傳遞性的，它是分層的：如果A打敗了B, B打敗了C，那麼A也打敗了C，使得A在任何比賽中獲勝。不及物競爭沒有這種等級制，因為C可以打敗A，而不是成為一個明顯的贏家，A會統治一段時間，然後讓位於C，然後讓位於B，再一次，A的崛起。
梅和倫納德所創造的，實際上是生態學中描述石頭剪刀布的數學。後來的數學家擴展了他們的工作，表明這些不及物關係可能涉及到幾乎無限個物種。
梅納德說：「不妨把它看作是一場角鬥士之間的生死較量。」在與一個熟練的戰士的單人戰鬥中，他說，「我要輸了。」但他說，如果他在一個由100名戰士組成的團隊中，可能會有其他的防禦選擇，比如與更強大的戰士結成聯盟。這種策略可能會幫助他比競爭對手更持久，並最終勝出。
交配遊戲
在20世紀70年代和80年代，科學家們開始在論文中記錄真實生活中的例子，這些論文展示了珊瑚礁上生活的有機體之間的巖石、剪刀、布的關係，以及普通酵母酵母之間的關係。然而，最著名的研究之一是Sinervo於1996年發表在《自然》雜誌上的關於普通側邊斑點蜥蜴的研究。
乍一看，這種常見的側邊斑點蜥蜴的名字很不起眼。它很小，棕色，它主要的區別特徵是背部的圖案和喉嚨上的一點顏色。然而，這種蜥蜴的交配系統要罕見得多。1990年，Sinervo前往位於加利福尼亞乾燥的內海岸山脈斜坡上的side-blotched蜥蜴領地的中心地帶，就在默塞德城外。Sinervo花了五年時間研究雄性蜥蜴如何說服他們的女性朋友，以及如何讓他們的對手遠離。
Sinervo知道，雄性的交配策略是通過它喉嚨上的色塊來指示的。長著橙色喉嚨的蜥蜴競爭非常激烈。它們單獨守護大量的雌性，並攻擊任何入侵的雄性對手。布魯斯互相合作來保護自己的領地和同伴，這種策略在對付橙的時候是比較有效的。但這讓它們更不容易受到黃顏色的影響。黃顏色會模仿成熟雌性的外表，潛入橙色雄性的領地交配，而不用擔心競爭。
加州大學聖克魯茲分校的數學生物學家巴裡·西納沃領導了對這種側斑蜥蜴的裡程碑式研究。他證明了不同雄性之間的不及物競爭創造了一個統治的循環，在這個循環中，三種共存的形式中的每一種都在一到兩年的時間裡處於優勢地位。西納沃注意到，在他的研究地點，每種顏色主宰了一到兩年，之後一個特定的競爭對手取而代之：藍色讓位於橙色，橙色讓位於黃色，黃色再一次讓位於藍色。有些地方可能只有一種顏色，但是Sinervo從來沒有看到只有兩種顏色在一起，因為一種顏色總是完全取代另一種顏色。但有了三種，它們的優勢地位就開始動搖了。當Sinervo和他的同事後來開始寫方程式來描述觀測結果時，他們很快意識到他們描述的是一種石頭剪刀布的形式。
在自然界的其他情況中，博弈論似乎可以引導進化。例如，在2020年2月的《美國博物學家》雜誌上，Sinervo和他的同事們描述了它是如何解釋288種齧齒動物中特定的交配策略的流行——以及為什麼某些物種或多或少可能是混雜的，一夫多妻制或一夫一妻制。
然而，來自大自然的觀察只能告訴科學家這麼多。為了了解是什麼類型的環境在物種之間創造了這些石頭-剪刀-布的遊戲，以及新的方程式是否有助於解釋生物多樣性，科學家們不得不回到實驗室。
當地環境改變了遊戲規則
大腸桿菌作為一種普通的結腸居住者，名聲不佳。然而，多年來，微生物學家已經鑑定出數百種具有不同特性的大腸桿菌菌株。其中一個家族攜帶一組名為Col的基因，這種基因會產生一種名為大腸桿菌素的毒素，但同時也是一種保護細菌不受其侵害的蛋白質。一些大腸桿菌對大腸桿菌素敏感，而另一些大腸桿菌則通過進化產生了突變，從而產生了抗藥性。耐藥菌株(稱為R)比產粘菌素菌株(C)生長得更快，因為它們不需要生產粘菌素的成本。敏感菌株能夠戰勝R，因為保護性突變也損害了細胞運輸營養物質的能力。這個系統創造了一個完美的石頭剪刀布的設置，因為R拍C, C拍S, S拍R。
大約20年前，史丹福大學的微生物學家讓這些細菌在三種不同的情況下玩石頭、剪刀、布的遊戲：把它們混合在一個燒瓶裡，一個靜態的有蓋培養皿，在那裡它們以有限的運動組合在一起，在「混合板塊」環境中，他們有更多的中間流動性。在2002年發表於《自然》雜誌的論文中，班傑明·科爾(現就職於華盛頓大學)、布倫丹·博漢南(現就職於俄勒岡大學)和他們的同事們發現，在燒瓶和分散的培養皿中，R型菌株都迅速戰勝了S型和C型菌株。
然而，靜態的培養皿講述了一個不同的故事。當Kerr和Bohannan分析這些菌落生長的照片時，他們發現了一個石頭-剪刀-布的遊戲，不同的菌落在哪裡接觸，正如理論預測的那樣。芝加哥大學的理論生態學家Stefano Allesina解釋說，這些結果表明，當地環境不僅在石頭剪刀布的出現中起著至關重要的作用，而且在隨後的生物多樣性的出現和維持中也起著至關重要的作用。
在讀研究生時，阿萊西納發現這篇論文「令人興奮」。他為他的期刊俱樂部選擇了這項研究，並向他的同學提出了一個設問的問題:石頭、剪刀、布能不能對付多達70株的大腸桿菌?
因為那個討論的問題在他腦子裡揮之不去，阿萊西納決定把他的工作重點放在開發計算模型上，以便為大量玩家模擬石頭剪刀布。他發現，在他的模型中增加更多的物種可以增強系統的穩定性，降低單個種群滅絕的可能性。梅納德在他的研究中得出了同樣的結論:生物多樣性帶來了更多的生物多樣性，這是系統穩定性的簡單結果，因為大量生物可以共存。
梅納德認為，正是這種相互依賴使得不及物性變得如此普遍。「你不可能什麼都做得很好，」他說。「從基因上來說，這根本不可能存在。「每個物種都有一個阿基裡斯之踵，為石頭、布、剪刀效應留下了道路，這使得每個物種都很脆弱，但也提供了一些來自壓倒性捕食的緩解。」更多樣化的系統具有更高的不可傳遞性和穩定性。
阿萊西納說:「一個非常不穩定的世界很難與我們在自然界所看到的相協調。」隨著一個系統的多樣性增加，它為物種之間的相互作用提供了更多的方式，這也可以導致更大的共存和生物多樣性。
俄勒岡大學的特裡斯坦·烏塞爾受科爾和波漢南作品的啟發，想要更進一步。雖然他們的研究表明，生物的分布是石頭剪刀布發展的關鍵，但他們實驗的環境並沒有阻止細菌移動的物理屏障。自然界可不是這樣的:無論微生物是生活在植物的根上，還是依偎在我們腸道的某個地方，它的環境都充滿了阻礙。Ursell是一位生物物理學家而不是微生物學家，他決定建立一系列的計算機模型來研究物理障礙是如何改變石頭-剪刀-布的循環的。
在項目進行過程中，Ursell預計這些障礙可能會對模擬產生較小的影響。「我沒有預料到，在某些情況下，它會完全顛覆穩定性，」他說。
為什麼拯救單一物種是不夠的
例如，在一個開放的空間裡，兩個物種相互競爭，通常以其中一個取代另一個而告終。但是，如果羅素的計算機模型中的景觀存在障礙，這兩個物種通常可以共存。與此同時，三個被困在開放空間的石頭-剪刀-布遊戲中的物種可以通過騎進騎出的方式共存。在它們的世界中引入障礙通常會導致一個物種消滅其他物種。
2018年12月，Ursell與Nick Vallespir Lowery合作完成的論文發表在《美國國家科學院院刊的網站上，與其他研究一起揭示了現實生活中石頭-剪刀-布遊戲隱藏的複雜性。例如，慕尼黑路德維希馬克西米利安大學的歐文弗雷(Erwin Frey)和瑪麗安鮑爾領導的一組科學家創建了土壤微生物的數學模型，這些微生物通過土壤本身的小孔獲取養分和水分，這些小孔也允許它們與鄰居互動。如果你想在實驗室裡培養土居微生物，繁殖最快的物種會勝出。然而，在自然界中，一克土壤可以包含超過10000種微生物。
在這個模擬中，紅色、藍色和黃色的「微生物」相互競爭。如果它們有適當的機動性，它們不斷變化的統治模式就會形成纏結，旋轉的螺旋覆蓋了整個景觀。然而，改變他們的流動性或引入障礙完全改變了結果。Frey和Bauer發現，秘密在於細菌適應環境條件變化所需要的時間。由於這一限制，以及土壤複雜物理結構中的連接性，成千上萬的微生物可以繼續共存。
生態和進化之間的這種反饋是至關重要的，杜蘭大學的應用數學家斯瓦蒂·帕特爾(Swati Patel)說，因為這些相互作用既可能導致生態系統的穩定，也可能導致物種滅絕，正如她在《美國博物學家》雜誌上發表的數學著作所顯示的那樣。她解釋說，如果A物種開始滅絕，B物種可能會以A可以恢復的方式進化。這個想法反過來也成立。
帕特爾說:「人類對各種生態系統的影響可以……使物種以我們沒有預料到的方式進化。」
長期的生態穩定和共存並不意味著人口數量會保持不變。帕特爾說，波動是這些模型的一部分。但關鍵是它們變化的廣度和速度。
紐西蘭坎特伯雷大的生態學家丹尼爾·斯託弗(Daniel Stouffer)經常與梅菲爾德合作，他說，較弱的相互作用有助於防止物種之間的波動變得過於極端。生態學家稱之為「儲存效應」。「一個物種並不總是最好的。只要有足夠的時間，天氣足夠好，就能度過糟糕的年份，」斯託弗說。
如果一個物種的數量下降得太低，像疾病爆發或乾旱這樣的偶然事件就會導致它滅絕。這些滅絕在生態系統中打開了一個真空，可以創造一個滅絕級聯或開放空間，讓其他生物恢復。這些連鎖反應也為保護生物學家拯救瀕危生物提供了線索。阿萊西納認為，《石頭剪刀布》的理論工作表明，生態學家可能需要把重點放在拯救整個生態系統上，而不僅僅是單個物種。
儘管在描述石頭剪刀布如何在更大的生態系統中發揮作用的理論工作取得了進展，Stouffer指出，生物學家在野外記錄的這些不及物動態的例子相對較少。模型顯示它們應該存在，但是確定石頭-剪刀-布遊戲可能在哪裡佔據主導地位對進化博弈理論家來說仍然是一個挑戰。
梅納德說，對科學家來說，最好的解決辦法可能就是從大自然本身尋找線索。他已經開始開發一種新的統計方法，這可能使他能夠推斷物種是如何相互作用的，並在這些相互作用中識別出突現的模式。但他說，關鍵是要記住，石頭剪刀布只是一個更大的生物多樣性難題的一部分，而不斷的變化——無論是通過基因突變和進化，還是氣候的自然變化——是規則。