物種間的競爭，其實也是在進行「石頭剪刀布」

有些物種似乎在進行類似於「石頭剪刀布」的競爭，在這種遊戲中，沒有一個物種享有持久的統治地位。這可能是大自然能夠保持如此豐富的生物多樣性的部分原因。

加州大學聖地牙哥分校（UCSD）合成生物學的先驅傑夫·哈斯蒂（Jeff Hasty）從事了20多年的研究，試圖設計一種策略，使工程細菌中的遺傳迴路協同工作。但哈斯蒂不得不承認，在這方面即使是他的研究，也無法超越渺小的大腸桿菌。

有些物種似乎在進行類似於「石頭剪刀布」的競爭

賦予工程細菌新的遺傳特徵或讓它們在細胞中從事特定工作，這對哈斯蒂來說並非難事，難的是如何保持這些特質。在實驗中，往往下一代細胞就會產生突變，突變體迅速取代原始細胞，使得所需的特性消失。

「這一過程是不可避免的，」哈斯蒂說。

多年來，大腸桿菌一直是哈斯蒂的噩夢，因為這種細菌會迅速擾亂他設計的系統。最終，研究團隊找到了三種協同工作的工程大腸桿菌菌株，每個菌株產生一種毒素和一個相應的反毒素來保護自己。

第一個菌株可以殺死第二個，但不能殺死第三個；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。

這種對抗的循環意味著，通過按順序添加細菌菌株，研究人員可以保持系統內大腸桿菌的數量，同時確保突變體被毒素扼殺。細胞的生態的相互作用實際上對系統起到了穩定作用。

加州大學聖地牙哥分校生物動力學和合成生物學博士生麥可·廖（Michael Lio）參與了這種工程細菌系統的開發，他說這三種菌株的相互關係就像石頭剪刀布一樣。

加州大學聖地牙哥分校的博士生Michael Lio

幾十年來，生態學和進化界的研究人員一直在努力回答一個問題：如此複雜的生物多樣性在自然界中是如何穩定下來的？其實，答案已經藏在了世界各地的兒童手中，這是孩子們用來解決爭議最簡單的方式。

加州大學聖克魯斯分校的數學生物學家巴裡·西納沃（Barry Sinervo）說，答案就是「石頭剪刀布」。

石頭剪刀布的特點在於，沒有任何一個角色有優勢，無論參與者如何選擇，獲勝的機會都是相等的。而且當兩個人玩的時候，總有一個明確的勝利者。當有更多玩家加入時，遊戲會變得更加複雜，不同策略的成功率往往會周期性地上升和下降。

研究石頭剪刀布策略的生物學家已經模擬了幾十種甚至數百種物種在一起「玩」的環境。他們還研究了當物種在各種情形下相互作用時，以及物種在流動性和競爭力上的差異時，整個生態系統是如何變化的。

使用紅、藍、黃三色展示三種微生物在模擬環境中的競爭

他們發現，隨著時間的推移，石頭剪刀布的關係可以使許多物種在同一個地區共生，並輪流擔任支配地位。

「這可能會影響進化理論，以及我們對生態動力學、生物技術和保護政策的理解。」西內沃說。「石頭剪刀布遍布整個生物宇宙。」

01 豐度方程：用數學描述物種的動態變化

當查爾斯·達爾文（Charles Darwin）在1859年發表他的自然選擇理論時，他假設，個體之間的競爭提供了進化背後的力量。經過150多年的實驗證實，競爭確實是一種主要的進化驅動力。但這其中存在一個問題。

如果簡單的競爭是唯一的進化驅動力，那麼在數十億年之後，應該只留下少數高度競爭關係的物種。相反，這個星球存在著驚人數量的生物。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院的生態學家丹尼爾·馬納德（Daniel Maynard）說：「在一公頃的森林中生活著數千甚至數百萬種微生物。而無論你做什麼，它們都會生存下來。並不會有某一種無敵的生物殺死所有生物。」

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（Alfred Lotka）通過方程對化學反應進行了描述。

1925年，他意識到方程可以應用描述捕食者和被捕食者種群的循環上升和下降。這個方程表明，食肉動物的數量取決於獵物的數量。這在當時具有開創性，因為它給了生態學家一種開始測量和模擬自然世界的方法。

儘管如此，方程並不完美。它們建立在有用但簡單的假設之上，它們只代表了捕食者和獵物的關係，而不能表示爭奪資源的物種之間的關係。

到1975年，數學家羅伯特·梅（Robert May）和沃倫·倫納德（Warren Leonard）提出了一個新的理論：當競爭是直接競爭的時候，它實際上是分層的。

如果A擊敗B，和B擊敗C，那麼A也擊敗C，A就是最後的勝者。但由於C也可以擊敗A，因此非直接競爭中缺乏這種層次結構。A不會永遠是贏家，而是會主宰一段時間，但隨後讓位給C，然後C讓位給B，然後回到A。

這實際上是用數學來描述生態學中的石頭剪刀布，相應地理論可以拓展到幾乎無限數量的物種中。

02 雄性性側斑蜥蜴的小心機

20世紀70年代，科學家們開始記錄部分真實案例，這些例子顯示了生活在珊瑚礁上的生物之間的石頭剪刀布關係。其中最著名的研究是西內爾沃1996年在《自然》雜誌上對常見的側斑點蜥蜴的研究。

雄性側斑蜥蜴

這種常見的側斑蜥蜴體型較小，通常為棕色，其主要區別特徵是其背部的圖案和喉嚨部位的彩色點。這種蜥蜴的交配系統卻很不尋常。西內爾沃花了五年時間研究雄蜥蜴如何吸引配偶、驅逐對手的。

西內爾沃發現，雄蜥蜴的策略是通過其喉嚨上的斑塊顏色展示的。橙色喉嚨的蜥蜴是超級有競爭力的。它們會單獨保護雌蜥蜴，攻擊任何雄性對手。藍色喉嚨的蜥蜴則會互相合作，保衛它們的領地和隊友。還有一種黃色喉嚨的蜥蜴，它們會模仿雌蜥蜴的外表，偷偷潛入橙色雄蜥蜴的領地。

加州大學聖克魯斯分校的數學生物學家巴裡·西內爾沃

研究表明，三種類型的雄性蜥蜴之間的激烈競爭創造了循環，三種類型共存的形式中，每隔一兩年會有一個輪迴。

03 物種的阿喀琉斯之踵

多年來，微生物學家已經發現了數百種具有不同特性的大腸桿菌菌株。

大約二十年前，史丹福大學的微生物學家讓細菌在三種不同情況下玩石頭剪刀 布：一個燒瓶，裡面混合了不同的細菌；一個靜態的培養皿，它們被分開放置，運動空間有限；一個混合板的環境，讓它們有充分的流動性。

研究人員發現，在燒瓶和混合板的環境中，細菌很快就分出了「勝負」。然而，靜態的培養皿中卻是另一番景象。當研究人員分析在培養皿中細菌菌群變化的照片時，他們看到了剪刀石頭布的遊戲在動態上演。

芝加哥大學理論生態學家斯特凡諾·阿萊克納（Stefano Allesina）解釋說，這些結果表明，當地環境不僅影響了剪刀石頭布的物種博弈，而且在生物多樣性的出現和維護中起著至關重要的作用。

剪刀石頭布的博弈中，沒有常勝將軍

研究人員發現，在模型中增加更多的物種可以增強系統的穩定性，使得任何單個種群滅絕的可能性都降低。這是系統穩定性增強的結果，讓大量的生物可以共存。

研究人員認為，這種相互制衡的關係是導致生物多樣性如此普遍的部分原因。「你不可能是無敵的，」他說。「這種情況在基因上行不通。每個物種都有自己的阿喀琉斯之踵，這使得每個物種互相之間相生相剋。更多樣化的系統具有較高的流動性和穩定性。」

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