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石头剪刀布 揭示弱者生存之道

时间:2019-07-11|栏目: 地球 • 自然 |点击:1

    石头剪刀布  揭示弱者生存之道

    来源丨原理(ID:principia1687)

    1975年,R.M. May和W.J. Leonard第一次用石头-剪刀-布这个游戏模拟了三个物种循环主导的生态场景,即一个物种主导另一个物种,第二个物种又主导第三个物种,第三个物种反过来可以主导第一个物种。这个游戏可以很好地模拟不同株的大肠杆菌菌株的循环主导。

    传统的石头-布-剪刀模型会假定这三个物种势力均衡相当。这种设定显然与真实的自然界有所出入。比如,一个物种弱于另外两个物种的情况在真实世界中是很常见的,季节变化等许多因素都有可能削弱某些物种的竞争力。

    在一篇新的论文中,巴西的研究人员就用石头-剪刀-布的模型,模拟了三方中存在弱者的场景。他们模拟了一个出击次数少于被攻击次数的物种,并在这个场景下执行了超过100万次的模拟。在这个模型的帮助下,研究人员能够更好地解释,在不同物种的优势不同的情况下,它们是如何维持共存关系的。他们的研究结果显示,正是由于石头-剪刀-布这种模型的特殊结构,导致即使其中一个物种比较弱,也能与其他物种共存。

    不过,这一模型的工作原理与原始的石头-剪刀-布模型略有不同。每个个体无论它们各自属于哪个物种,都能进行三种类型的交互。这三种交互方式分别是选择、移动和繁殖。选择就像是杀戮,一个物种的个体可以消灭相邻的被它主导的物种个体。移动指的是一个物种个体可以与它相邻的且受它主导的物种个体交换位置,或者移动到相邻的空白空间。繁殖是指一个物种个体可以用这种物种的另一个个体来填充邻近的空白空间。

    在模拟中,每个个体被随机地放置在一个网格上。随机选择一个个体,然后在其周围的八个相邻的格点上随机地再选择一个个体。接下来再从三种不同类型的交互方式中随机地选择一个。如果可能的话,被选择的个体会进行交互。在某些情况下是不能进行交互的:例如,为了能进行选择交互,相邻位置必须是由一个属于正确物种的个体(占支配地位的物种)占据,而为了能进行繁殖交互,相邻的位置必须是空的。

    石头剪刀布  揭示弱者生存之道

    ○ 上:三个物种之间进行选择交互,虚线箭头表示物种1比物种2、3都更弱。下:模拟中出现的一些群落模式。物种1、2和3的个体分别用橙色、深蓝色和淡蓝色的点来表示;白点表示为空白处。| 图片来源:Menezes et al.

    为了使一个物种比另外两个物种更弱,研究人员让其中一个物种获得选择交互的机会更低。结果发现,模拟得到的结果与预期结果相反,较弱的物种不一定会灭绝。在某些程度的弱小水平上,较弱的物种最初几乎能掌控所有的领土。这是因为较弱的物种能选择(即杀死)它所能主导的物种个体数量较少,导致被主导物种增长,进而限制了第三种物种的生长。而这第三种物种会主导这种较弱物种,所以第三种物种的有限增长给了较弱物种以生长空间。

    基于这一类原因,之前有研究表明,较弱物种或许能总是占据主导地位,即使从长远来看也是如此。然而,在新的模拟中,研究人员发现了一些不同的东西。他们惊讶地发现,较弱物种不一定像文献中所描述的那样,总能赢得这种不平衡的石头-剪刀-布的游戏。而是发现物种的获胜与否取决于较弱物种的移动性和能力。

    石头剪刀布  揭示弱者生存之道

    ○ a显示的为三个物种的最初分布,b、c、d分别呈现了在经过675代、750代和825代后的格局。| 图片来源:Menezes et al.

    随着时间的推移,新的模式也会随之出现,准确地呈现出不同物种在空间上如何共存。特别是出现了一种螺旋形的像波浪一样移动的模式,直到它们彼此相遇,在相遇的点上,才形成了能让所有三个物种共存的小群体。螺旋模式以及由此产生的共存更有可能发生在更大的网格上,因为这增加了所有物种的移动性,并让物种可以彼此接触。

    当网格上几乎是由一个单一物种主导时,美丽的螺旋图纹就出现了。螺旋形模式的形成与普通的石头-剪刀-布模型完全不同。这样的结果或许对生态学家有所帮助,因为他们需要描述和量化这些对于理解物种之间如何共存至关重要的模式。

    结果还表明,共存也是有限度的:当较弱物种的能力弱于另外两种物种的1/3时,共存的可能性就会大大降低。

    未来,研究人员打算对更复杂的情况进行研究,比如自适应性生物系统,在这种情况下,一个物种为了保证自身的生存可以改变交互的概率。他们还准备探索生物间的交互能如何平衡物种之间的不平衡关系,以及疾病和其他捕食者的影响。他们的终极目标是为了理解疾病爆发或共同的捕食者调解能如何在不平衡的石头-剪刀-布模型中增加共存的机会。

    原文链接:

    [1]https://phys.org/news/2019-07-rock-paper-scissors-game-coexistence.html

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