物种间的竞争，其实也是在进行“石头剪刀布”

有些物种似乎在进行类似于“石头剪刀布”的竞争，在这种游戏中，没有一个物种享有持久的统治地位。这可能是大自然能够保持如此丰富的生物多样性的部分原因。

加州大学圣迭戈分校（UCSD）合成生物学的先驱杰夫·哈斯蒂（Jeff Hasty）从事了20多年的研究，试图设计一种策略，使工程细菌中的遗传回路协同工作。但哈斯蒂不得不承认，在这方面即使是他的研究，也无法超越渺小的大肠杆菌。

有些物种似乎在进行类似于“石头剪刀布”的竞争

赋予工程细菌新的遗传特征或让它们在细胞中从事特定工作，这对哈斯蒂来说并非难事，难的是如何保持这些特质。在实验中，往往下一代细胞就会产生突变，突变体迅速取代原始细胞，使得所需的特性消失。

“这一过程是不可避免的，”哈斯蒂说。

多年来，大肠杆菌一直是哈斯蒂的噩梦，因为这种细菌会迅速扰乱他设计的系统。最终，研究团队找到了三种协同工作的工程大肠杆菌菌株，每个菌株产生一种毒素和一个相应的反毒素来保护自己。

第一个菌株可以杀死第二个，但不能杀死第三个；第二个可以杀死第三个，但不能杀死第一个；第三个可以杀死第一个，但不能杀死第二个。

这种对抗的循环意味着，通过按顺序添加细菌菌株，研究人员可以保持系统内大肠杆菌的数量，同时确保突变体被毒素扼杀。细胞的生态的相互作用实际上对系统起到了稳定作用。

加州大学圣迭戈分校生物动力学和合成生物学博士生迈克尔·廖（Michael Lio）参与了这种工程细菌系统的开发，他说这三种菌株的相互关系就像石头剪刀布一样。

加州大学圣迭戈分校的博士生Michael Lio

几十年来，生态学和进化界的研究人员一直在努力回答一个问题：如此复杂的生物多样性在自然界中是如何稳定下来的？其实，答案已经藏在了世界各地的儿童手中，这是孩子们用来解决争议最简单的方式。

加州大学圣克鲁斯分校的数学生物学家巴里·西纳沃（Barry Sinervo）说，答案就是“石头剪刀布”。

石头剪刀布的特点在于，没有任何一个角色有优势，无论参与者如何选择，获胜的机会都是相等的。而且当两个人玩的时候，总有一个明确的胜利者。当有更多玩家加入时，游戏会变得更加复杂，不同策略的成功率往往会周期性地上升和下降。

研究石头剪刀布策略的生物学家已经模拟了几十种甚至数百种物种在一起“玩”的环境。他们还研究了当物种在各种情形下相互作用时，以及物种在流动性和竞争力上的差异时，整个生态系统是如何变化的。

使用红、蓝、黄三色展示三种微生物在模拟环境中的竞争

他们发现，随着时间的推移，石头剪刀布的关系可以使许多物种在同一个地区共生，并轮流担任支配地位。

“这可能会影响进化理论，以及我们对生态动力学、生物技术和保护政策的理解。”西内沃说。“石头剪刀布遍布整个生物宇宙。”

01 丰度方程：用数学描述物种的动态变化

当查尔斯·达尔文（Charles Darwin）在1859年发表他的自然选择理论时，他假设，个体之间的竞争提供了进化背后的力量。经过150多年的实验证实，竞争确实是一种主要的进化驱动力。但这其中存在一个问题。

如果简单的竞争是唯一的进化驱动力，那么在数十亿年之后，应该只留下少数高度竞争关系的物种。相反，这个星球存在着惊人数量的生物。

瑞士苏黎世联邦理工学院的生态学家丹尼尔·马纳德（Daniel Maynard）说：“在一公顷的森林中生活着数千甚至数百万种微生物。而无论你做什么，它们都会生存下来。并不会有某一种无敌的生物杀死所有生物。”

解释生物多样性的第一个突破不是来自生态学，而是来自数学。1910年，美国生物物理学家和统计学家阿尔弗雷德·洛特卡（Alfred Lotka）通过方程对化学反应进行了描述。

1925年，他意识到方程可以应用描述捕食者和被捕食者种群的循环上升和下降。这个方程表明，食肉动物的数量取决于猎物的数量。这在当时具有开创性，因为它给了生态学家一种开始测量和模拟自然世界的方法。

尽管如此，方程并不完美。它们建立在有用但简单的假设之上，它们只代表了捕食者和猎物的关系，而不能表示争夺资源的物种之间的关系。

到1975年，数学家罗伯特·梅（Robert May）和沃伦·伦纳德（Warren Leonard）提出了一个新的理论：当竞争是直接竞争的时候，它实际上是分层的。

如果A击败B，和B击败C，那么A也击败C，A就是最后的胜者。但由于C也可以击败A，因此非直接竞争中缺乏这种层次结构。A不会永远是赢家，而是会主宰一段时间，但随后让位给C，然后C让位给B，然后回到A。

这实际上是用数学来描述生态学中的石头剪刀布，相应地理论可以拓展到几乎无限数量的物种中。

02 雄性性侧斑蜥蜴的小心机

20世纪70年代，科学家们开始记录部分真实案例，这些例子显示了生活在珊瑚礁上的生物之间的石头剪刀布关系。其中最著名的研究是西内尔沃1996年在《自然》杂志上对常见的侧斑点蜥蜴的研究。

雄性侧斑蜥蜴

这种常见的侧斑蜥蜴体型较小，通常为棕色，其主要区别特征是其背部的图案和喉咙部位的彩色点。这种蜥蜴的交配系统却很不寻常。西内尔沃花了五年时间研究雄蜥蜴如何吸引配偶、驱逐对手的。

西内尔沃发现，雄蜥蜴的策略是通过其喉咙上的斑块颜色展示的。橙色喉咙的蜥蜴是超级有竞争力的。它们会单独保护雌蜥蜴，攻击任何雄性对手。蓝色喉咙的蜥蜴则会互相合作，保卫它们的领地和队友。还有一种黄色喉咙的蜥蜴，它们会模仿雌蜥蜴的外表，偷偷潜入橙色雄蜥蜴的领地。

加州大学圣克鲁斯分校的数学生物学家巴里·西内尔沃

研究表明，三种类型的雄性蜥蜴之间的激烈竞争创造了循环，三种类型共存的形式中，每隔一两年会有一个轮回。

03 物种的阿喀琉斯之踵

多年来，微生物学家已经发现了数百种具有不同特性的大肠杆菌菌株。

大约二十年前，斯坦福大学的微生物学家让细菌在三种不同情况下玩石头剪刀 布：一个烧瓶，里面混合了不同的细菌；一个静态的培养皿，它们被分开放置，运动空间有限；一个混合板的环境，让它们有充分的流动性。

研究人员发现，在烧瓶和混合板的环境中，细菌很快就分出了“胜负”。然而，静态的培养皿中却是另一番景象。当研究人员分析在培养皿中细菌菌群变化的照片时，他们看到了剪刀石头布的游戏在动态上演。

芝加哥大学理论生态学家斯特凡诺·阿莱克纳（Stefano Allesina）解释说，这些结果表明，当地环境不仅影响了剪刀石头布的物种博弈，而且在生物多样性的出现和维护中起着至关重要的作用。

剪刀石头布的博弈中，没有常胜将军

研究人员发现，在模型中增加更多的物种可以增强系统的稳定性，使得任何单个种群灭绝的可能性都降低。这是系统稳定性增强的结果，让大量的生物可以共存。

研究人员认为，这种相互制衡的关系是导致生物多样性如此普遍的部分原因。“你不可能是无敌的，”他说。“这种情况在基因上行不通。每个物种都有自己的阿喀琉斯之踵，这使得每个物种互相之间相生相克。更多样化的系统具有较高的流动性和稳定性。”

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