Η βιοποικιλότητα μπορεί να ευδοκιμήσει μέσα από παιχνίδια βράχου-χαρτιού-ψαλίδι

Πρωτοπόρος της συνθετικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, ο Τζεφ Χέιστυ έχει περάσει την 20ετή καριέρα του σχεδιάζοντας στρατηγικές για να συνεργαστούν τα γενετικά κυκλώματα σε κατασκευασμένα βακτήρια. Αλλά πριν από αρκετά χρόνια, ο Χάστι έπρεπε να παραδεχτεί ότι ακόμη και ο ίδιος δεν μπορούσε να ξεπεράσει το ταπεινό βακτήριο Escherichia coli .

Ο Χάστι δεν είχε πρόβλημα να δημιουργήσει χρήσιμα, αυστηρά ρυθμισμένα νέα γενετικά χαρακτηριστικά ή να τα κάνει να λειτουργήσουν στα κύτταρα. Αυτό ήταν το εύκολο κομμάτι. Αυτό που είναι πιο δύσκολο, ανακάλυψε, είναι να διατηρήσει αυτά τα χαρακτηριστικά. Εάν ένα κύτταρο χρειάζεται να εκτρέψει κάποιους από τους πόρους του για να φτιάξει μια επιθυμητή πρωτεΐνη, γίνεται οριακά λιγότερο κατάλληλο από τα κύτταρα που δεν τη συνθέτουν. Αναπόφευκτα, τα κύτταρα αποκτούν μεταλλάξεις που απενεργοποιούν το εισαγόμενο γενετικό κύκλωμα και οι μεταλλάκτες αντικαθιστούν γρήγορα τα αρχικά κύτταρα. Ως αποτέλεσμα, το επιθυμητό χαρακτηριστικό εξαφανίζεται, συχνά εντός 36 ωρών.

«Δεν είναι θέμα αν, είναι θέμα πότε», είπε η Χάστι.

Για χρόνια, ο Χάστι παρακολουθούσε τη μεταλλαγμένη Ε. coli απενεργοποιήσει ακόμη και τα κομψά κατασκευασμένα συστήματά του. Αλλά τον περασμένο Σεπτέμβριο στο Science , Χάστι, ο διδακτορικός φοιτητής του Μάικλ Λιάο και οι συνάδελφοί τους σχεδίασαν μια στρατηγική για να αποτρέψουν ακόμη και το πιο χαρούμενο για μετάλλαξη βακτήριο μέσω ενός είδους «μικροβιακής πίεσης από τους ομοτίμους», όπως την αποκαλούσε ένα συνοδευτικό σχόλιο. Η ομάδα UCSD χρησιμοποίησε τρία κατασκευασμένα στελέχη E. coli που λειτούργησε παράλληλα. Κάθε στέλεχος παρήγαγε μια τοξίνη, μια αντίστοιχη αντιτοξίνη για να προστατευτεί και μια δεύτερη αντιτοξίνη για προστασία έναντι ενός από τα άλλα στελέχη. Το πρώτο στέλεχος θα μπορούσε να σκοτώσει το δεύτερο αλλά όχι το τρίτο. ο δεύτερος θα μπορούσε να σκοτώσει τον τρίτο αλλά όχι τον πρώτο. ο τρίτος θα μπορούσε να σκοτώσει τον πρώτο αλλά όχι τον δεύτερο.

Αυτός ο στρογγυλός ανταγωνισμός σήμαινε ότι, προσθέτοντας διαδοχικά τα στελέχη των βακτηρίων, οι ερευνητές μπορούσαν να διατηρήσουν τους αριθμούς των μηχανικών E. coli υψηλά, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι τα μη χρήσιμα μεταλλαγμένα εξουδετερώθηκαν από τις τοξίνες των νεοφερμένων. Η οικολογική αλληλεπίδραση των κυττάρων σταθεροποίησε το σύστημα.

Το έργο πλησίαζε στην ολοκλήρωση όταν ο Liao αντιλήφθηκε ότι άλλοι επιστήμονες έδιναν ήδη προσοχή σε αυτή τη στρατηγική. Οι ερευνητές στην οικολογία και την εξέλιξη είχαν παλέψει μαζί της για δεκαετίες ως μια πιθανή απάντηση σε ένα σημαντικό ερώτημα στον τομέα τους:Πώς επιβιώνει τόση βιοποικιλότητα στη φύση; Ωστόσο, ακόμη και εκτός από την επιστημονική της ιστορία, η στρατηγική είναι περισσότερο γνωστή ως ένα παιχνίδι που χρησιμοποιείται από παιδιά σε όλο τον κόσμο για να διευθετήσουν διαφωνίες παιδικής χαράς.

Το παιχνίδι είναι ψαλίδι βράχου χαρτιού, «ένα κλασικό παιχνίδι στη θεωρία παιγνίων και την εξελικτική θεωρία», είπε ο μαθηματικός βιολόγος Μπάρι Σινέρβο του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, Σάντα Κρουζ, του οποίου οι μελέτες πεδίου σε σαύρες με πλάγια κηλίδες βοήθησαν να καθοριστεί η συνάφειά του με οικοσυστήματα.

Οι κανόνες του παιχνιδιού είναι εύκολοι:Το ροκ νικάει το ψαλίδι, το ψαλίδι το χαρτί και το χαρτί το ροκ. Κανένας παίκτης δεν έχει πλεονέκτημα και οι πιθανότητες νίκης είναι ίσες ανεξάρτητα από το είδος που θα επιλέξει. Όταν παίζουν δύο άτομα, υπάρχει πάντα ένας ξεκάθαρος νικητής. Προσθέστε περισσότερους παίκτες, ωστόσο, και το παιχνίδι γίνεται πιο περίπλοκο, με την επιτυχία διαφορετικών στρατηγικών συχνά κυκλικά να αυξάνεται και να πέφτει.

Βιολόγοι που μελετούν το ψαλίδι βράχου-χαρτιού έχουν μοντελοποιήσει τον τρόπο με τον οποίο παίζεται το παιχνίδι με παρτιτούρες ή ακόμα και εκατοντάδες είδη. Έχουν επίσης διερευνήσει πώς αλλάζει όταν τα είδη αλληλεπιδρούν σε διάφορα τοπία και πότε τα είδη διαφέρουν ως προς την κινητικότητα και την ανταγωνιστικότητά τους. Αυτό που ανακάλυψαν είναι ότι με την πάροδο του χρόνου, το ψαλίδι-πέτρα-χαρτί μπορεί να επιτρέψει σε πολλά είδη να συνυπάρχουν στην ίδια περιοχή με το ποδήλατο μέσα και έξω από την κυριαρχία.

Οι επιστήμονες εξακολουθούν να προσδιορίζουν την πραγματική σημασία του παιχνιδιού για τα ζωντανά συστήματα, αλλά οι ανακαλύψεις τους έχουν επιπτώσεις που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την εξελικτική θεωρία, την κατανόησή μας για την οικολογική δυναμική, τη βιοτεχνολογία και την πολιτική διατήρησης. «Είναι ένα παγκόσμιο παιχνίδι, το οποίο είναι αρκετά προσεγμένο», είπε ο Sinervo. "Το ψαλίδι-πέτρα-χαρτί καλύπτει ολόκληρο το βιολογικό σύμπαν."

Εξισώσεις αφθονίας

Όταν ο Κάρολος Δαρβίνος δημοσίευσε τη θεωρία του για τη φυσική επιλογή το 1859, αυτός και οι σύγχρονοί του υπέθεσαν ότι ο ανταγωνισμός μεταξύ ατόμων παρείχε τη δύναμη πίσω από την εξέλιξη. Περισσότερα από 150 χρόνια πειραμάτων μετά την αρχική εργασία του Δαρβίνου επιβεβαίωσαν ότι ο ανταγωνισμός είναι πράγματι μια σημαντική εξελικτική δύναμη. Υπάρχει μόνο ένα πρόβλημα.

Εάν ο απλοϊκός ανταγωνισμός ήταν η μόνη εξελικτική δύναμη, τότε μετά από δισεκατομμύρια χρόνια, μόνο μια χούφτα άκρως ανταγωνιστικά είδη θα έπρεπε να έχει μείνει. Αντίθετα, ο πλανήτης φιλοξενεί μια εκπληκτική σειρά ζωής. Ο αριθμός των ειδών για τα οποία είναι η Γη είναι σχεδόν αδύνατο να εκτιμηθεί. μια πρόσφατη απόπειρα το καθόρισε σε περίπου 2 δισεκατομμύρια, αλλά οι προηγούμενες προσπάθειες κυμαίνονταν από κάτω από 10 εκατομμύρια έως 1 τρισεκατομμύριο. Μόνο τα πεδινά τροπικά δάση του Αμαζονίου φιλοξενούν περισσότερα από 6.700 είδη δέντρων και 7.300 άλλα είδη φυτών σπόρων — αριθμούς που δεν αρχίζουν να υπολογίζονται για τα συνοδευτικά έντομα, θηλαστικά, μύκητες και μικρόβια.

«Κοιτάμε γύρω μας και υπάρχουν χιλιάδες, ακόμη και εκατομμύρια, μικρόβια που ζουν σε ένα εκτάριο δάσους», δήλωσε ο Daniel Maynard, οικολόγος στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης. «Και ό,τι και να κάνεις, όλοι επιβιώνουν. Δεν είναι σαν να σκίζει κανείς την κοινότητα και να ξεπερνά όλα τα άλλα."

Μία από τις πρώτες ανακαλύψεις στην εξήγηση της βιοποικιλότητας δεν προήλθε από την οικολογία αλλά από τα μαθηματικά. Το 1910, ο Αμερικανός βιοφυσικός και στατιστικολόγος Alfred Lotka ανέπτυξε μια σειρά εξισώσεων για να περιγράψει ορισμένες χημικές αντιδράσεις. Μέχρι το 1925, είχε συνειδητοποιήσει ότι οι ίδιες εξισώσεις μπορούσαν να προσαρμοστούν για να περιγράψουν την κυκλική άνοδο και πτώση των πληθυσμών αρπακτικών και θηραμάτων. Ένα χρόνο αργότερα, ο Ιταλός μαθηματικός και φυσικός Vito Volterra ανέπτυξε ανεξάρτητα το ίδιο σύνολο εξισώσεων.

Η εργασία τους έδειξε πώς ο αριθμός των αρπακτικών εξαρτάται από τον αριθμό των θηραμάτων. Αυτή η εικόνα μπορεί να φαίνεται προφανής, λέει η Margaret Mayfield, οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ στην Αυστραλία, αλλά οι εξισώσεις της Lotka και της Volterra ήταν πρωτοποριακές στην εποχή τους, επειδή έδωσαν στους οικολόγους έναν τρόπο να αρχίσουν να μετρούν και να μοντελοποιούν τον φυσικό κόσμο.

Ωστόσο, οι εξισώσεις δεν ήταν τέλειες. Στηρίζονταν σε χρήσιμες αλλά απλοϊκές υποθέσεις και δεν μπορούσαν να αναπαραστήσουν σχέσεις μεταξύ ειδών που δεν ήταν αρπακτικά και θηράματα, αλλά συναγωνίζονταν για πόρους.

Αυτό άρχισε να αλλάζει το 1975, ωστόσο, όταν οι μαθηματικοί Robert May και Warren Leonard προσάρμοσαν τις κλασικές εξισώσεις Lotka-Volterra για αυτό που οι οικολόγοι αποκαλούν αδιάβατο ανταγωνισμό. Όταν ο ανταγωνισμός είναι μεταβατικός, είναι ιεραρχικός:Εάν ο Α νικήσει τον Β και ο Β νικήσει τον Γ, τότε ο Α νικήσει επίσης τον Γ, καθιστώντας τον Α νικητή σε οποιονδήποτε διαγωνισμό. Ο αμετάβατος ανταγωνισμός στερείται αυτής της ιεραρχίας, γιατί ο Γ μπορεί να κερδίσει τον Α. Αντί να παραμείνει ξεκάθαρος νικητής, ο Α θα κυριαρχήσει για λίγο, αλλά στη συνέχεια θα δώσει τη θέση του στον Γ, ο οποίος στη συνέχεια θα δώσει τη θέση του στον Β και θα ακολουθήσει για άλλη μια φορά η άνοδος του Α.

Αυτό που δημιούργησαν η May και ο Leonard ήταν στην πραγματικότητα τα μαθηματικά για να περιγράψουν το ψαλίδι-πέτρα-χαρτί στην οικολογία. Αργότερα, οι μαθηματικοί επέκτεισαν την εργασία τους για να δείξουν ότι αυτές οι αμετάβατες σχέσεις θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν έναν σχεδόν άπειρο αριθμό ειδών.

Σκεφτείτε το σαν έναν αγώνα θανάτου μονομάχων, είπε ο Maynard. Σε μια μάχη ενάντια σε έναν ικανό μαχητή, είπε, «Θα χάσω». Αλλά αν βρισκόταν σε μια ομάδα 100 μαχητών, είπε, μπορεί να ήταν διαθέσιμες άλλες αμυντικές επιλογές, όπως η δημιουργία συμμαχίας με έναν ισχυρότερο μαχητή. Αυτή η στρατηγική μπορεί να τον βοηθήσει να ξεπεράσει τους ανταγωνιστές του και να βγει στην κορυφή.

Παιχνίδια ζευγαρώματος

Στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, οι επιστήμονες άρχισαν να τεκμηριώνουν παραδείγματα πραγματικής ζωής σε έγγραφα που έδειχναν σχέσεις πέτρας-χαρτιού-ψαλιδιού μεταξύ οργανισμών που ζούσαν σε κοραλλιογενείς υφάλους και μεταξύ των στελεχών της κοινής ζύμης Saccharomyces cerevisiae . Μεταξύ των πιο διάσημων μελετών, ωστόσο, ήταν η εργασία του Sinervo για την κοινή σαύρα με κηλίδες στο πλάι, που δημοσιεύτηκε στο Nature το 1996.

Με την πρώτη ματιά, η κοινή σαύρα με κηλίδες στο πλάι μένει στο ταπεινό της όνομα. Είναι μικρό, καφέ και έχει μήκος ως το δάχτυλο και τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι τα σχέδια στην πλάτη του και μια κηλίδα χρώματος στο λαιμό του. Το σύστημα ζευγαρώματος των σαυρών, ωστόσο, είναι πολύ πιο ασυνήθιστο. Το 1990, το Sinervo ταξίδεψε στην καρδιά της περιοχής με σαύρες, στις πλαγιές της ξεραμένης περιοχής Inner Coast Range της Καλιφόρνια, λίγο έξω από την πόλη Merced. Η Sinervo πέρασε πέντε χρόνια μελετώντας πώς οι αρσενικές σαύρες πείθουν τις φίλες τους να σύρουν προς τα δεξιά — και πώς κάνουν τους αντιπάλους τους να μείνουν μακριά.

Η στρατηγική ζευγαρώματος ενός αρσενικού, ήξερε ο Sinervo, υποδεικνύονταν από το χρώμα στο λαιμό του. Οι σαύρες με πορτοκαλί λαιμό είναι εξαιρετικά ανταγωνιστικές. Φρουρούν μεμονωμένα μεγάλα χαρέμια θηλυκών και επιτίθενται σε κάθε αρσενικό αντίπαλο που παραβιάζει. Οι μπλε συνεργάζονται μεταξύ τους για να προστατεύσουν την επικράτειά τους και τους συντρόφους τους, μια στρατηγική που είναι μόνο κάπως αποτελεσματική έναντι των πορτοκαλιών. Αλλά τα καθιστά λιγότερο ευαίσθητα στα ύπουλα κίτρινα, τα οποία μιμούνται την εμφάνιση σεξουαλικά ώριμων θηλυκών και εισχωρούν κρυφά στην περιοχή των πορτοκαλί αρσενικών για να ζευγαρώσουν χωρίς να φοβούνται τον ανταγωνισμό.

Ο Sinervo παρατήρησε ότι στο χώρο μελέτης του, κάθε χρώμα κυριαρχούσε για ένα ή δύο χρόνια, μετά από τα οποία ανέλαβε ένας συγκεκριμένος αντίπαλος:Το μπλε έδωσε τη θέση του στο πορτοκαλί, το οποίο έδωσε τη θέση του στο κίτρινο, το οποίο έδωσε τη θέση του στο μπλε για άλλη μια φορά. Ορισμένες τοποθεσίες μπορεί να έχουν μόνο ένα μόνο χρώμα, αλλά το Sinervo δεν είδε ποτέ μόνο δύο χρώματα μαζί, επειδή το ένα αντικαθιστούσε πάντα πλήρως το άλλο. Αλλά με τρεις, οι πληθυσμοί ταλαντεύονταν σε κυριαρχία. Όταν ο Sinervo και ένας συνάδελφός τους άρχισαν αργότερα να γράφουν εξισώσεις για να περιγράψουν τις παρατηρήσεις, σύντομα συνειδητοποίησαν ότι περιέγραφαν μια μορφή ψαλιδιού-πέτρα-χαρτί.

Άλλες καταστάσεις στη φύση όπου αυτή η θεωρία παιγνίων φαίνεται να καθοδηγεί την εξέλιξη έχουν έρθει στο φως. Στο τεύχος Φεβρουαρίου 2020 του The Αμερικανός φυσιοδίφης , για παράδειγμα, ο Sinervo και οι συνεργάτες του περιγράφουν πώς εξηγεί την επικράτηση συγκεκριμένων στρατηγικών ζευγαρώματος μεταξύ 288 ειδών τρωκτικών — και γιατί ορισμένα είδη είναι περισσότερο ή λιγότερο πιθανό να είναι ασύστολα, πολυγυναικά ή μονογαμικά.

Ωστόσο, οι παρατηρήσεις από τη φύση μπορούν να πουν μόνο τόσα πολλά στους επιστήμονες. Για να κατανοήσουν ποιοι τύποι περιβαλλόντων δημιουργούν αυτά τα παιχνίδια βράχου-χαρτιού-ψαλιδιού μεταξύ των ειδών και αν οι νέες εξισώσεις μπορούν να βοηθήσουν στην εξήγηση της βιοποικιλότητας, οι επιστήμονες έπρεπε να επιστρέψουν στο εργαστήριο.

Τοπικά περιβάλλοντα Αλλάζουν το παιχνίδι

Το βακτήριο E. coli παίρνει ένα κακό ραπ ως κοσμικός κάτοικος του παχέος εντέρου. Ωστόσο, με τα χρόνια, οι μικροβιολόγοι έχουν εντοπίσει εκατοντάδες E. coli στελέχη με ποικίλες ιδιότητες. Μια οικογένεια φέρει μια ομάδα γονιδίων που ονομάζεται Col, η οποία παράγει μια τοξίνη που ονομάζεται κολισίνη αλλά και μια πρωτεΐνη που προστατεύει το βακτήριο από αυτήν. Κάποιοι Ε. coli Τα στελέχη είναι ευαίσθητα στην κολισίνη και άλλα έχουν εξελιχθεί μεταλλάξεις που τα καθιστούν ανθεκτικά. Τα ανθεκτικά στελέχη (γνωστά ως R) αναπτύσσονται ταχύτερα από τα στελέχη που παράγουν κολισίνη (C), επειδή δεν έχουν το κόστος παραγωγής κολισίνης. Τα ευαίσθητα (S) στελέχη μπορούν να ξεπεράσουν το R επειδή οι προστατευτικές μεταλλάξεις επηρεάζουν επίσης την ικανότητα των κυττάρων να μεταφέρουν θρεπτικά συστατικά. Αυτό το σύστημα δημιουργεί μια τέλεια διάταξη ροκ-χαρτιού-ψαλίδι, αφού το R κερδίζει το C, το C κερδίζει το S και το S κερδίζει το R.

Πριν από περίπου δύο δεκαετίες, μικροβιολόγοι στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ έβαλαν τα βακτήρια να παίζουν πέτρα-χαρτί-ψαλίδι σε τρεις διαφορετικές καταστάσεις:μια φιάλη όπου αναμειγνύονταν όλα μαζί. ένα στατικό τρυβλίο Petri όπου ομαδοποιήθηκαν με περιορισμένη κίνηση. και ένα περιβάλλον «μικτής πλάκας» όπου είχαν μεγαλύτερη ενδιάμεση κινητικότητα. Στη Φύση τους έγγραφο το 2002, ο Benjamin Kerr (τώρα στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον), ο Brendan Bohannan (τώρα στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον) και οι συνάδελφοί τους διαπίστωσαν ότι τόσο στη φιάλη όσο και στην κατανεμημένη πλάκα, το στέλεχος R γρήγορα κέρδισε και τα δύο S και ομάδες C.

Το στατικό πιάτο Petri, ωστόσο, είπε μια διαφορετική ιστορία. Όταν ο Kerr και ο Bohannan ανέλυσαν φωτογραφίες των βακτηριακών αποικιών που αναπτύσσονταν εκεί, είδαν ένα παιχνίδι με ψαλίδι βράχου-χαρτιού να παίζεται όπου τα διάφορα στελέχη ήρθαν σε επαφή, ακριβώς όπως προέβλεπε η θεωρία. Αυτά τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα τοπικά περιβάλλοντα διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο όχι μόνο στην εμφάνιση του ψαλιδιού από βράχο χαρτί, αλλά και στη συνακόλουθη εμφάνιση και διατήρηση της βιοποικιλότητας, εξήγησε ο Stefano Allesina, θεωρητικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο.

Διαβάζοντας αυτό το έγγραφο ως μεταπτυχιακός φοιτητής, η Allesina το βρήκε «εκρηκτικό». Επέλεξε τη μελέτη για το journal club του και έθεσε μια ρητορική ερώτηση στους συμφοιτητές του:Θα μπορούσε το ψαλίδι-πέτρα-χαρτί να λειτουργήσει με έως και 70 στελέχη E. coli ?

Επειδή αυτή η ερώτηση συζήτησης είχε κολλήσει στον εγκέφαλό του, ο Allesina αποφάσισε να επικεντρώσει τη δουλειά του στην ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων που θα μπορούσαν να προσομοιώσουν το ψαλίδι-πέτρα-χαρτί για μεγάλο αριθμό παικτών. Διαπίστωσε ότι η προσθήκη περισσότερων ειδών στο μοντέλο του ενίσχυε τη σταθερότητα του συστήματος, καθιστώντας λιγότερο πιθανό να εξαφανιστεί οποιοσδήποτε μεμονωμένος πληθυσμός. Ο Maynard κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα στην έρευνά του:Η βιοποικιλότητα γεννά περισσότερη βιοποικιλότητα ως απλό αποτέλεσμα της σταθερότητας του συστήματος, επειδή μεγάλοι αριθμοί οργανισμών μπορούν να συνυπάρχουν.

Αυτή η αλληλεξάρτηση είναι μέρος αυτού που κάνει την αμεταβατικότητα τόσο πολύ συνηθισμένη, σύμφωνα με τον Maynard. «Δεν μπορείς να είσαι εξαιρετικός σε όλα», είπε. «Αυτό γενετικά απλά δεν μπορεί να υπάρξει». Κάθε είδος έχει μια αχίλλειο πτέρνα που αφήνει ανοιχτό το δρόμο για τα εφέ πέτρας-χαρτιού-ψαλιδιού, τα οποία καθιστούν κάθε είδος ευάλωτο, αλλά προσφέρουν και κάποια ανακούφιση από τη συντριπτική θήρευση. Τα περισσότερα διαφορετικά συστήματα έχουν υψηλότερα επίπεδα αμετάβατότητας και σταθερότητας.

«Είναι δύσκολο να συμφιλιωθεί ένας πολύ ασταθής κόσμος με αυτό που βλέπουμε στη φύση», είπε η Allesina. Και καθώς αυξάνεται η ποικιλομορφία ενός συστήματος, προσφέρει περισσότερους τρόπους αλληλεπίδρασης των ειδών, γεγονός που μπορεί επίσης να οδηγήσει σε μεγαλύτερη συνύπαρξη και βιοποικιλότητα.

Ο Tristan Ursell στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον, εμπνευσμένος από το έργο των Kerr και Bohannan, ήθελε να το πάει ένα βήμα παραπέρα. Αν και η μελέτη τους είχε δείξει ότι η κατανομή των οργανισμών ήταν το κλειδί για την ανάπτυξη του ψαλιδιού από πέτρα-χαρτί, τα περιβάλλοντα στα πειράματά τους δεν είχαν φυσικά εμπόδια που θα εμπόδιζαν τα βακτήρια να κινηθούν. Ο φυσικός κόσμος δεν είναι τίποτα παρόμοιο:Είτε ένα μικρόβιο ζει στις ρίζες ενός φυτού είτε είναι στριμωγμένο κάπου στα έντερα μας, το περιβάλλον του είναι γεμάτο εμπόδια. Ο Ursell, βιοφυσικός και όχι μικροβιολόγος, αποφάσισε να δημιουργήσει μια σειρά μοντέλων υπολογιστών για να δει πώς τα φυσικά εμπόδια θα μπορούσαν να αλλάξουν τους κύκλους βράχου-χαρτιού-ψαλιδιού.

Προχωρώντας στο έργο, ο Ursell περίμενε ότι τα εμπόδια μπορεί να έχουν μικρές συνέπειες για την προσομοίωση. "Δεν περίμενα ότι σε ορισμένες περιπτώσεις θα ανέτρεπε εντελώς τη σταθερότητα", είπε.

Γιατί δεν αρκεί η αποθήκευση μεμονωμένων ειδών

Η τοποθέτηση δύο ειδών μεταξύ τους σε έναν ανοιχτό χώρο, για παράδειγμα, τυπικά τελείωνε με το ένα να αντικαθιστά το άλλο. Αλλά αν το τοπίο στο μοντέλο υπολογιστή του Ursell είχε εμπόδια, και τα δύο είδη θα μπορούσαν συχνά να συνυπάρχουν. Εν τω μεταξύ, τρία είδη κλειδωμένα σε ένα παιχνίδι βράχου-χαρτιού-ψαλιδιού σε έναν ανοιχτό χώρο θα μπορούσαν να συνυπάρχουν με το ποδήλατο μέσα και έξω από την κυριαρχία. Η εισαγωγή ενός φραγμού στον κόσμο τους συχνά οδήγησε στο ένα είδος να εξαφανίσει τα άλλα.

Η προκύπτουσα εργασία του Ursell με τον Nick Vallespir Lowery, που δημοσιεύτηκε διαδικτυακά τον Δεκέμβριο του 2018 από τα Πρακτικά των Εθνικών Ακαδημιών Επιστημών , προσχώρησε σε άλλες εργασίες που δείχνουν τις κρυμμένες πολυπλοκότητες των πραγματικών παιχνιδιών βράχου-χαρτιού-ψαλιδιού. Για παράδειγμα, μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τους Erwin Frey και Marianne Bauer στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου δημιούργησε μαθηματικά μοντέλα μικροβίων του εδάφους, τα οποία λαμβάνουν θρεπτικά συστατικά και νερό μέσω μικρών ανοιγμάτων στο ίδιο το έδαφος, τρύπες που τους επιτρέπουν επίσης να αλληλεπιδρούν με τους γείτονες. Εάν προσπαθήσετε να αναπτύξετε μικρόβια που ζουν στο έδαφος στο εργαστήριο, το είδος που μπορεί να αναπαραχθεί ταχύτερα κερδίζει. Ωστόσο, στη φύση, ένα μόνο γραμμάριο χώματος μπορεί να περιέχει περισσότερους από 10.000 τύπους μικροβίων.

Το μυστικό, βρήκαν οι Frey και Bauer, είναι ο χρόνος που χρειάζεται τα βακτήρια για να προσαρμοστούν στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Λόγω αυτού του περιορισμού και της συνδεσιμότητας που είναι ενσωματωμένη στη σύνθετη φυσική δομή του εδάφους, χιλιάδες μικρόβια μπορούν να συνεχίσουν να συνυπάρχουν.

Αυτή η ανατροφοδότηση μεταξύ οικολογίας και εξέλιξης είναι ζωτικής σημασίας, είπε η Swati Patel, εφαρμοσμένη μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο Tulane, επειδή αυτές οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να οδηγήσουν είτε σε σταθερότητα του οικοσυστήματος είτε σε εξαφάνιση, όπως το μαθηματικό της έργο στο The American Naturalist έδειξε. Εάν το είδος Α αρχίσει να εξαφανίζεται, εξήγησε, το είδος Β μπορεί να εξελιχθεί με τέτοιο τρόπο ώστε το Α να μπορέσει να ανακάμψει. Αυτή η ιδέα λειτουργεί και αντίστροφα.

«Οι ανθρώπινοι αντίκτυποί μας σε διάφορα οικοσυστήματα μπορεί… να κάνουν τα είδη να εξελιχθούν με τρόπους που δεν περιμέναμε», είπε ο Patel.

Η μακροπρόθεσμη οικολογική σταθερότητα και συνύπαρξη δεν σημαίνει ότι ο πληθυσμός θα παραμείνει ίδιος. Οι διακυμάνσεις είναι ενσωματωμένες σε αυτά τα μοντέλα, είπε ο Patel. Αλλά το πόσο πολύ ποικίλλουν και πόσο γρήγορα είναι το κλειδί.

Ο Daniel Stouffer, οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Canterbury στη Νέα Ζηλανδία και συχνός συνεργάτης του Mayfield, λέει ότι οι πιο αδύναμες αλληλεπιδράσεις βοηθούν στο να μην γίνουν πολύ ακραίες οι διακυμάνσεις μεταξύ των ειδών. Οι οικολόγοι το αποκαλούν αυτό το φαινόμενο αποθήκευσης. «Ένα είδος δεν χρειάζεται να είναι πάντα το καλύτερο. Απλώς πρέπει να έχει αρκετές στιγμές όπου μπορεί να είναι αρκετά καλό ώστε να μπορεί να ξεπεράσει τα άσχημα χρόνια», είπε ο Stouffer.

Εάν ο αριθμός ενός είδους πέσει πολύ χαμηλά, ένα τυχαίο γεγονός, όπως ένα ξέσπασμα ασθένειας ή ξηρασία, μπορεί να προκαλέσει την εξαφάνισή του. Αυτές οι εξαφανίσεις ανοίγουν ένα κενό σε ένα οικοσύστημα, το οποίο μπορεί να δημιουργήσει έναν καταρράκτη εξαφάνισης ή να ανοίξει χώρο για άλλους οργανισμούς να ανακτήσουν. Αυτά τα κυματιστικά φαινόμενα παρέχουν επίσης ενδείξεις για βιολόγους διατήρησης που εργάζονται για να σώσουν τους απειλούμενους οργανισμούς. Σύμφωνα με την Allesina, η θεωρητική εργασία σε ψαλίδι βράχου χαρτιού δείχνει ότι οι οικολόγοι μπορεί να χρειαστεί να επικεντρωθούν στη διάσωση ολόκληρων οικοσυστημάτων αντί για μεμονωμένα είδη.

«Φανταστείτε ότι θέλετε να συντηρήσετε μόνο τον βράχο του βράχου-χαρτιού-ψαλιδιού [τριό]», είπε. Μπορεί να μην σας ενδιαφέρει το χαρτί ή το ψαλίδι, αλλά μόλις εξαφανιστεί, αυτό «θα μπορούσε να αντηχεί μέσα από αυτά τα δίκτυα αλληλεπιδράσεων με άλλα είδη που δεν θα είχατε ποτέ μαντέψει».

Παρά την πρόοδο στη θεωρητική εργασία που περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να λειτουργούν τα ψαλίδια πέτρας-χαρτί σε μεγαλύτερα οικοσυστήματα, ο Stouffer επισημαίνει ότι οι βιολόγοι έχουν τεκμηριώσει σχετικά λίγα παραδείγματα αυτών των αμετάβατων δυναμικών στην άγρια ​​φύση. Τα μοντέλα δείχνουν ότι πρέπει να υπάρχουν, αλλά ο εντοπισμός του πού είναι πιθανό να κυριαρχούν τα παιχνίδια βράχου-χαρτιού-ψαλιδιού παραμένει μια πρόκληση για τους θεωρητικούς των εξελικτικών παιχνιδιών.

Ο Maynard λέει ότι ο καλύτερος τρόπος για να προχωρήσουμε μπορεί να είναι οι επιστήμονες να πάρουν τα στοιχεία τους από την ίδια τη φύση. Έχει αρχίσει να αναπτύσσει μια νέα στατιστική προσέγγιση που θα μπορούσε να του δώσει τη δυνατότητα να συμπεράνει πώς αλληλεπιδρούν τα είδη και να εντοπίσει αναδυόμενα μοτίβα σε αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Αλλά λέει ότι το κλειδί θα είναι να θυμόμαστε ότι το ψαλίδι-πέτρα-χαρτί είναι μόνο ένα κομμάτι ενός μεγαλύτερου παζλ βιοποικιλότητας και ότι η συνεχής αλλαγή - είτε μέσω γονιδιακής μετάλλαξης και εξέλιξης είτε φυσικών αλλαγών στο κλίμα - είναι ο κανόνας.