Турниры "камень-ножницы-бумага" объясняют экологическое разнообразие

Согласно классической экологии, когда два вида конкурируют за один ресурс, в итоге более успешный вид победит, а другой вымрет. Но это правило не может объяснить такие системы, как Амазонка, где тысячи видов деревьев занимают схожие экологические ниши.

Детская игра "камень-ножницы-бумага" предлагает одно из решений этой загадки, сообщают исследователи из Чикагского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в Proceedings of the National Academy of Sciences. Математическая модель, построенная на динамике игры, показала потенциал для неограниченного биоразнообразия и предложила новые неожиданные экологические правила.

Правила "камень-ножницы-бумага" — это пример "нетранзитивной" конкуренции, где участников нельзя просто ранжировать от лучшего к худшему. При попарном сравнении появляются победители и проигравшие, но когда конкурируют все три стратегии, возникает тупик, где ни один элемент не является бесспорным победителем.

В природе такие отношения наблюдались для групп из трёх видов бактерий и ящериц. Но учёные ещё не изучали, как более сложные нетранзитивные отношения с более чем тремя участниками могут моделировать сложные экосистемы.

Стефано Аллесина и Джонатан Левин объединили передовую математику теории игр, теории графов и динамических систем, чтобы смоделировать исход, когда разное количество видов конкурирует за различное количество "лимитирующих факторов" с переменным успехом. Пример — группа видов деревьев, конкурирующих за несколько ресурсов, таких как азот, фосфор, свет и вода.

Когда в модель добавляется больше лимитирующих факторов, количество биоразнообразия быстро растёт, так как между видами развивается "турнир" по принципу "камень-ножницы-бумага", устраняющий слабых игроков, но сохраняющий стабильный баланс между множеством выживших.

В некоторых моделях, где преимущество вида по одному лимитирующему фактору связано с недостатком по другому, всего двух факторов достаточно для достижения максимального биоразнообразия — которое стабилизируется на уровне половины от изначально введённого в модель числа видов, независимо от его величины.

Модель также дала странный результат: при равномерном распределении лимитирующих факторов общее число выживших видов всегда было нечётным. Настройка параметров модели для более точного отражения неравномерного распределения ресурсов в природе устранила эту особенность.

Аллесина и Левин проверили реалистичность модели, успешно восстановив сеть взаимоотношений видов по полевым данным о популяциях тропических лесных деревьев и морских беспозвоночных. В дальнейшем они проверят, может ли модель успешно предсказывать динамику популяций в экосистеме.

Модель "камень-ножницы-бумага" предлагает новые идеи об устойчивости экосистем — или о драматических последствиях, когда из системы удаляется всего один вид.