생물 다양성은 암석 가위 게임을 통해 번성 할 수 있습니다

샌디에고 캘리포니아 대학교 (University of California)의 합성 생물학의 선구자 인 Jeff Hasty는 조작 된 박테리아의 유전자 회로를 함께 작동시키기 위해 20 년간의 경력을 설계했습니다. 그러나 몇 년 전, Hasty는 심지어 겸손한 박테리아 대장균 .

수년 동안, Hasty는 돌연변이 체를 보았다. coli 우아하게 설계된 시스템도 비활성화합니다. 그러나 지난 9 월 Science Hasty, 그의 박사 과정 학생 Michael Liao와 동료들은 동반 된 논평으로 일종의“미생물 동료 압력”을 통해 가장 돌연변이가 많은 박테리아조차도 방해하기위한 전략을 설계했습니다. UCSD 팀은 3 개의 엔지니어링 균주를 사용했습니다. coli 그것은 탠덤에서 일했습니다. 각각의 균주는 독소, 그 자체를 보호하기위한 상응하는 안티 톡신 및 다른 균주 중 하나에 대한 보호를위한 두 번째 안티 톡신을 생성 하였다. 첫 번째 변형은 두 번째 변형을 죽일 수 있지만 세 번째는 죽을 수 없습니다. 두 번째는 세 번째를 죽일 수 있지만 첫 번째는 아닙니다. 세 번째는 첫 번째를 죽일 수 있지만 두 번째는 죽을 수 있습니다.

이 길항 작용 로빈은 박테리아의 균주를 순차적으로 첨가함으로써 연구자들이 엔지니어링 된 수를 유지할 수 있음을 의미했다. coli 도움이되지 않는 돌연변이 체가 신규 이민자의 독소에 의해 밀려 났음을 보장하면서 높습니다. 세포의 생태 학적 상호 작용은 시스템을 안정화시켰다.

Liao가 다른 과학자들이 이미이 전략에 관심을 기울이고 있다는 사실을 우연히 발견했을 때이 프로젝트는 거의 완료되었습니다. 생태학과 진화의 연구자들은 해당 분야의 주요 질문에 대한 가능한 대답으로 수십 년 동안 그것에 대해 씨름했다. 그러나 과학적 역사를 제외하고 전 세계 어린이들이 놀이터 덩어리를 해결하기 위해 사용하는 게임으로 더 잘 알려져 있습니다.

이 게임은 산타 크루즈 (Santa Cruz) 캘리포니아 캘리포니아 대학교 (University of California)의 수학적 생물 학자 배리 시네르보 (Barry Sinervo)는“게임 이론과 진화론의 고전적인 게임”이라고 말했다.

게임의 규칙은 쉽습니다. 바위 비트 가위, 가위는 종이를 비트, 종이 비트 바위. 어떤 플레이어도 이점이 없으며, 어떤 아이템을 선택하든 상관없이 승리 할 가능성은 동일합니다. 두 사람이 놀면 항상 빅터가 있습니다. 그러나 더 많은 플레이어를 추가하면 주기적으로 상승하고 떨어지는 다양한 전략의 성공으로 게임이 더욱 복잡해집니다.

바위 종이 가위를 연구하는 생물 학자들은 게임이 점수 나 수백 종으로 어떻게 진행되는지 모델링했습니다. 그들은 또한 종이 다양한 풍경에서 상호 작용할 때, 그리고 종의 이동성과 경쟁력이 다를 때 어떻게 변화하는지 조사했습니다. 그들이 발견 한 것은 시간이 지남에 따라 암석-가위 사업가는 많은 종들이 우세한 곳에서 자전거를 타고 같은 영역에서 공존 할 수 있다는 것입니다.

과학자들은 여전히 ​​살아있는 시스템에 대한 게임의 진정한 중요성을 결정하고 있지만, 그들의 발견은 진화론, 생태 역학, 생명 공학 및 보존 정책에 대한 우리의 이해에 영향을 줄 수있는 영향을 미칩니다. Sinervo는“이것은 보편적 인 게임이며 꽤 깔끔합니다. “암석-가위 사도들은 생물학적 우주 전체를 다룹니다.”

풍부한 방정식

찰스 다윈 (Charles Darwin)은 1859 년에 자연 선택 이론을 발표했을 때, 그와 그의 동시대 사람들은 개인들 사이의 경쟁이 진화의 힘을 제공했다고 가정했다. 다윈의 초기 연구 후 150 년이 넘는 실험에 따르면 경쟁은 실제로 주요 진화력임을 확인했습니다. 한 가지 문제가 있습니다.

단순한 경쟁이 유일한 진화력이라면, 수십억 년이 지난 후에는 소수의 경쟁이 치열한 종만 남아야합니다. 대신, 행성은 엄청난 생명의 고향입니다. 지구가 집에있는 종의 수는 추정하기가 거의 불가능합니다. 최근의 한 번의 시도는 약 20 억으로 약 20 억에 불과했지만 초기 노력은 천만에서 1 조의 범위에 이르렀습니다. 저지대 아마존 열대 우림만으로는 6,700 개가 넘는 나무 종과 7,300 개의 다른 종자 식물 종이 있습니다. 곤충, 포유류, 곰팡이 및 미생물을 고려하지 않는 숫자

스위스 연방 공과 대학 취리히 (Jurich)의 생태 학자 인 다니엘 메이 너드 (Daniel Maynard)는“우리는 주변을 둘러보고 수천, 심지어 수백만, 심지어 수백만의 미생물이 있습니다. “그리고 당신이 무엇을하든 그들은 모두 살아 남았습니다. 커뮤니티를 통해 눈물을 흘리며 다른 모든 것을 때리는 것과는 다릅니다.”

생물 다양성을 설명하는 첫 번째 획기적인 획기적인 것 중 하나는 생태가 아니라 수학에서 나왔습니다. 1910 년 미국 생물 생리 학자이자 통계 학자 인 알프레드 로스카 (Alfred Lotka)는 특정 화학 반응을 설명하기위한 일련의 방정식을 개발했습니다. 1925 년까지 그는 포식자와 먹이 집단의 주기적 상승과 하락을 설명하기 위해 동일한 방정식이 적응할 수 있음을 깨달았습니다. 1 년 후, 이탈리아 수학자 및 물리학 자 Vito Volterra는 독립적으로 동일한 방정식 세트를 개발했습니다.

그들의 작업은 포식자 수가 먹이 수에 어떻게 의존하는지 보여주었습니다. 호주 퀸즐랜드 대학교의 생태 학자 인 마가렛 메이필드 (Margaret Mayfield)는이 통찰력이 분명해 보일 수 있지만, 로타와 볼터 라의 방정식은 생태 학자들이 자연 세계를 측정하고 모델링하기 시작하는 방법을 제공했기 때문에 획기적이라고 말했다.

그럼에도 불구하고 방정식은 완벽하지 않았습니다. 그들은 유용하지만 단순한 가정에 쉬었고, 포식자와 먹이가 아니라 자원을 놓고 경쟁하는 종들 사이의 관계를 나타내지 못했습니다.

그러나 1975 년에 수학자 Robert May와 Warren Leonard가 생태 학자들이 비정규 경쟁이라고 부르는 것에 대한 고전적인 Lotka-Volterra 방정식을 조정했을 때 1975 년에 변화가 시작되었습니다. 경쟁이 전이되면 계층 적입니다. Beats B와 B가 C를 이기면 A는 C를 이기고 모든 콘테스트에서 승리합니다. C는 A를 이길 수 있기 때문에 A는이 계층 구조가 부족합니다. C는 명확한 승자를 유지하는 대신 A는 잠시 동안 지배적이지만 C에게 길을 주면서 B에게 길을주고 A.

May와 Leonard가 만든 것은 사실상 생태학의 암석-가위를 설명하는 수학이었습니다. 나중에 수학자들은 이러한 비교 관계가 거의 무한한 종을 포함 할 수 있음을 보여주기 위해 그들의 작업을 확장했습니다.

Maynard는 검투사 데스 경기처럼 생각하십시오. 그는 숙련 된 전투기와의 단일 전투에서“나는 잃을 것”이라고 말했다. 그러나 그가 100 명의 전투기 그룹에 있었다면 더 강한 전투기와 동맹을 맺는 것과 같은 다른 방어 옵션을 이용할 수 있다고 말했다. 그 전략은 그가 경쟁 업체를 오래 지속하고 정상에 나올 수 있도록 도와 줄 수 있습니다.

짝짓기 게임

1970 년대와 80 년대에 과학자들은 산호초에 사는 유기체와 일반적인 효모의 균주 사이의 암석 가위 관계를 보여주는 논문의 실제 사례를 문서화하기 시작했습니다. . 그러나 가장 유명한 연구 중에는 Nature 에 출판 된 일반적인 측면 도마뱀에 대한 Sinervo의 작업이있었습니다. 1996 년.

언뜻보기에 일반적인 측면 블로치 도마뱀은 겸손한 이름으로 살고 있습니다. 작고 갈색 및 손가락 길이이며 주요 특징은 등의 패턴과 목의 색상입니다. 그러나 도마뱀의 짝짓기 시스템은 훨씬 이례적입니다. 1990 년에 Sinervo는 Merced시 바로 옆에있는 캘리포니아의 마른 내부 해안 범위의 경사면에서 측정 도마뱀 영토의 중심부로 여행했습니다. Sinervo는 5 년 동안 남성 도마뱀이 여성 친구들이 오른쪽으로 스 와이프하도록 설득하는 방법과 경쟁자들이 어떻게 멀리 떨어져 있는지 공부하면서 5 년을 보냈습니다.

Sinervo는 남성의 짝짓기 전략이 목구멍의 색상으로 표시되었습니다. 주황색 목이있는 도마뱀은 매우 경쟁적입니다. 그들은 개별적으로 여성의 큰 하렘을 보호하고 침입하는 남성 라이벌을 공격합니다. 블루스는 서로 협력하여 자신의 영토와 동료를 지키기 위해 오렌지에 대해 다소 효과적인 전략입니다. 그러나 그것은 교활한 노란색에 덜 취약하게 만들어 진 성적으로 성숙한 여성의 출현을 모방하고 경쟁에 대한 두려움없이 짝짓기를하기 위해 오렌지 남성 영토로 몰래 들어갑니다.

Sinervo는 자신의 연구 장소에서 각 색상이 1 년 또는 2 년 동안 지배적이라는 것을 알았으며, 그 후 특정 라이벌이 인수했습니다. Blue는 오렌지로 갔다가 노란색으로 나아갔습니다. 일부 위치는 단일 색상을 가질 수 있지만 Sinervo는 두 가지 색상을 함께 보지 못했습니다. 하나는 항상 다른 하나를 완전히 대체했기 때문입니다. 그러나 3 명으로 인구는 지배적으로 진동했다. Sinervo와 동료가 나중에 관찰을 설명하기 위해 방정식을 작성하기 시작했을 때, 그들은 곧 암석-가위 사도의 형태를 묘사하고 있음을 깨달았습니다.

이 게임 이론이 진화를 안내하는 것처럼 보이는 다른 상황은 밝혀졌습니다. 2020 년 2 월 미국 자연 주의자 예를 들어, Sinervo와 그의 동료들은 그것이 288 종의 설치류들 사이에서 특정 짝짓기 전략의 유병률을 설명하는 방법과 특정 종들이 무차별, 다색 또는 일부일처적일 가능성이 어느 정도인지 설명하는 방법을 설명합니다.

그럼에도 불구하고 자연의 관찰은 과학자들에게만 너무 많이 말할 수 있습니다. 어떤 유형의 환경이 종들 사이에 이러한 암석-가위 게임을 만들고 새로운 방정식이 생물 다양성을 설명하는 데 도움이 될 수 있는지를 이해하려면 과학자들은 실험실로 돌아 가야했습니다.

로컬 환경은 게임을 변경합니다

박테리아 e. coli 평범한 콜론 거주자로서 나쁜 랩을 얻습니다. 그러나 수년에 걸쳐, 미생물 학자들은 수백 개의 em을 확인했습니다. coli 다양한 특성을 가진 균주. 한 가족은 Col라는 유전자 그룹을 가지고 있는데, 이는 Colicin이라는 독소를 생성하고 박테리아를 보호하는 단백질도 생성합니다. 일부 e. coli 균주는 콜리신에 민감하고 다른 사람들은 돌연변이를 진화시켜 저항력을 갖습니다. 저항성 균주 (R이라고도 함)는 콜리 신 생산보다 빠르게 자랍니다 (C) 균주는 콜리 신 생산 비용이 없기 때문에 균주가 발생합니다. 보호 돌연변이는 또한 세포의 영양소를 운반하는 능력을 손상시키기 때문에 민감한 (S) 균주는 R을 발전시킬 수 있습니다. 이 시스템은 R 비트 C, C 비트 및 S 비트 r.

약 20 년 전, Stanford University의 미생물 학자들은 박테리아가 세 가지 다른 상황에서 암석-가위를 연주했습니다. 모두 함께 혼합 된 플라스크; 그들이 제한된 움직임과 함께 그룹화 된 정적 페트리 접시; 더 중간 이동성이있는 "혼합 판"환경. 그들의 자연에서 2002 년 논문, Benjamin Kerr (현재 워싱턴 대학교), Brendan Bohannan (현재 오레곤 대학교) 및 동료들은 플라스크와 분산 판에서 S와 C 그룹 모두에서 빠르게 승리했습니다.

그러나 정적 페트리 접시는 다른 이야기를 들었습니다. Kerr와 Bohannan은 그곳에서 자라는 박테리아 식민지의 사진을 분석했을 때, 그들은 이론이 예측 한 것처럼 다른 균주가 접촉 한 곳에서 암석-가위 사무지 게임이 재생되는 것을 보았습니다. 이 결과는 현지 환경이 암석-가위의 출현뿐만 아니라 생물 다양성의 외관과 유지에서 중요한 역할을한다는 것을 보여 주었다.

이 논문을 대학원생으로 읽은 Allesina는“마음이 날아 갔다”는 것을 알았습니다. 그는 저널 클럽을 위해 연구를 선택하고 동료 학생들에게 수사적 질문을 제기했습니다. coli ?

Allesina는 그 토론의 질문이 그의 두뇌에 갇히기 때문에 많은 수의 플레이어를위한 암석-가위를 시뮬레이션 할 수있는 계산 모델 개발에 초점을 맞추기로 결정했습니다. 그는 자신의 모델에 더 많은 종을 추가하면 시스템의 안정성을 강화하여 개별 인구가 멸종 될 가능성이 적다는 것을 발견했습니다. Maynard는 그의 연구에서 같은 결론에 도달했습니다. 생물 다양성은 많은 수의 유기체가 공존 할 수 있기 때문에 시스템의 안정성의 간단한 결과로 더 많은 생물 다양성을 얻습니다.

Maynard에 따르면 이러한 상호 의존성은 내재성을 매우 일반적으로 만드는 것의 일부입니다. "당신은 모든 것을 능가 할 수는 없습니다"라고 그는 말했습니다. "유전자 적으로 존재할 수 없습니다." 각 종에는 Achilles의 발 뒤꿈치가있어 암석 가위 효과를위한 길을 열어두고 모든 종을 취약하게 만들뿐만 아니라 압도적 인 포식으로부터 약간의 구호를 제공합니다. 더 다양한 시스템은 더 높은 수준의 내재성과 안정성을 가지고 있습니다.

Allesina는“우리가 본질적으로보고있는 것과 매우 불안정한 세상을 조정하기는 어렵습니다. 그리고 시스템의 다양성이 증가함에 따라 종들이 상호 작용할 수있는 더 많은 방법을 제공하며, 이는 또한 공존과 생물 다양성을 높일 수 있습니다.

Kerr와 Bohannan의 작품에서 영감을 얻은 오레곤 대학교의 Tristan Ursell은 한 걸음 더 나아가고 싶었습니다. 그들의 연구에 따르면 유기체의 분포가 암석-가위의 발달의 핵심이라는 것이 밝혀졌지만, 실험의 환경에는 박테리아가 움직이지 못하게하는 물리적 장벽이 없었습니다. 자연 세계는 그와 비슷하지 않습니다. 미생물이 식물의 뿌리에 살고 있는지 또는 장의 어딘가에 껴안든 환경은 장애물로 가득 차 있습니다. 미생물학자가 아닌 생물 생리 학자 인 Ursell은 물리적 장애물이 어떻게 암석-가위 사업자 사이클을 바꿀 수 있는지 알아보기 위해 일련의 컴퓨터 모델을 만들기로 결정했습니다.

프로젝트에 들어가면서 Ursell은 장애물이 시뮬레이션에 약간의 결과를 초래할 수 있다고 예상했습니다. "나는 그것이 어떤 경우에는 안정성을 완전히 뒤집을 것이라고 기대하지 않았다"고 그는 말했다.

단일 종을 절약하는 데 충분하지 않은 이유

예를 들어, 열린 공간에서 서로 두 종을 뚫는 것은 일반적으로 하나는 다른 하나를 대체하는 것으로 끝났습니다. 그러나 Ursell의 컴퓨터 모델의 풍경에 장벽이 있다면 두 종 모두 종종 공존 할 수 있습니다. 한편, 열린 공간에서 바위 가위 사업자 게임에 잠긴 3 종은 지배적으로 자전거를 타고 공존 할 수 있습니다. 그들의 세상에 장벽을 소개하면 종종 한 종이 다른 종을 제거했습니다.

Nick Vallespir Lowery와의 Ursell의 결과 논문은 2018 년 12 월 국립 과학 아카데미의 절차에 의해 2018 년 12 월에 온라인으로 출판되었습니다 , 실제 바위 종이 가위 게임의 숨겨진 복잡성을 보여주는 다른 작품에 합류했습니다. 예를 들어, Ludwig Maximilian University of Munich의 Erwin Frey와 Marianne Bauer가 이끄는 과학자 팀은 토양 자체의 작은 개구부를 통해 영양소와 물을 얻는 토양 미생물의 수학적 모델을 만들었습니다. 실험실에서 토양에 거주하는 미생물을 키우려고하면 가장 빠른 승리를 재현 할 수있는 종이 있습니다. 그러나 본질적으로 단일 토양 그램에는 10,000 개 이상의 미생물이 포함될 수 있습니다.

비밀 인 Frey와 Bauer는 박테리아가 변화하는 환경 조건에 적응하는 데 걸리는 시간이 걸린다는 것입니다. 이러한 제약과 토양의 복잡한 물리적 구조에 내장 된 연결성으로 인해 수천 개의 미생물이 계속 공존 할 수 있습니다.

Tulane University의 응용 수학자 인 Swati Patel은 생태학과 진화 사이의 이러한 피드백이 중요하다고 말했다. 이러한 상호 작용은 미국 자연 주의자 에서 수학적 작업으로 생태계 안정성이나 멸종을 초래할 수 있기 때문이다. 보여 주었다. 종 A가 멸종되기 시작하면, 종 B는 A가 회복 될 수있는 방식으로 진화 할 수 있다고 설명했다. 이 아이디어는 역시 작동합니다.

Patel은“다양한 생태계에 대한 우리의 인간의 영향은 우리가 예상하지 못한 방식으로 종을 발전시킬 수 있습니다.

장기 생태 안정성과 공존이 인구 수가 동일하게 유지된다는 것을 의미하지는 않습니다. Patel은 이러한 모델에 변동이 내장되어 있다고 Patel은 말했다. 그러나 그들이 얼마나 광범위하고, 얼마나 빨리 핵심 적인가.

뉴질랜드 캔터베리 대학의 생태 학자 인 다니엘 스토퍼 (Daniel Stouffer)이자 메이필드 (Mayfield)와의 빈번한 공동 작업자는 약한 상호 작용이 종들 사이의 변동이 너무 극단적이되는 것을 막는 데 도움이된다고 말했다. 생태 학자들은 이것을 저장 효과라고 부릅니다. “종이 항상 최고 일 필요는 없습니다. 나쁜 시절을 날화시킬 수있을 정도로 충분히 좋은 시간이 충분해야합니다.”라고 Stouffer는 말했습니다.

한 종의 수가 너무 낮아지면 질병 발생이나 가뭄과 같은 우연한 사건으로 인해 멸종 될 수 있습니다. 이러한 멸종은 생태계에서 진공 청소기를 열어서 다른 유기체가 회복 될 수있는 멸종 캐스케이드 또는 열린 공간을 만들 수 있습니다. 이러한 파급 효과는 또한 멸종 위기에 처한 유기체를 구하기 위해 노력하는 보존 생물 학자들을위한 단서를 제공합니다. Allesina에 따르면, 암석-가위 사도의 이론적 연구는 생태 학자들이 개별 종 대신 전체 생태계를 저장하는 데 집중해야 할 수도 있음을 보여줍니다.

"당신은 바위 가위 시저 [트리오]의 바위를 보존하고 싶다고 상상해보십시오." 당신은 종이 나 가위에 신경 쓰지 않을 수도 있지만, 멸종 되 자마자“결코 짐작하지 않은 다른 종들과의 상호 작용 네트워크를 통해 반향 할 수 있습니다.”

Rock-Paper-Scissors가 더 큰 생태계에서 어떻게 작동 할 수 있는지를 설명하는 이론적 연구의 발전에도 불구하고 Stouffer는 생물 학자들이 야생에서 이러한 내성적 역학에 대한 비교적 적은 예를 기록했다고 지적했다. 모델은 존재해야한다는 것을 보여 주지만, 록 페이퍼-가위 게임이 지배 할 가능성이있는 위치를 식별하는 것은 진화론적인 게임 이론가들에게는 여전히 어려운 과제입니다.

Maynard는 과학자들이 자연 자체에서 신호를받는 것이 가장 좋은 방법이라고 말합니다. 그는 종들이 어떻게 상호 작용하는지 유추하고 그러한 상호 작용에서 출현 패턴을 식별 할 수있는 새로운 통계적 접근법을 개발하기 시작했다. 그러나 그는 핵심은 암석-가위가 더 큰 생물 다양성 퍼즐의 한 조각 일 뿐이며 유전자 돌연변이와 진화 또는 기후의 자연 변화에 관계없이 끊임없는 변화가 규칙이라는 것을 기억하는 것입니다.