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超级合作者 有生命的地方，就会有各种各样的群体组织。细菌附着在物体表面生长，形成生物膜；黏液菌聚集繁殖，形成类似墨西哥草帽的三维形状；野牛习惯于成群出没；蚂蚁整个群落共同行动；猿类喜欢结队而行；熊、乌鸦、鲸鱼和鹅，它们也都有自己的集体。当然，人类也有组织结构。我们有大大小小的村庄、乡镇和城市，我们在工厂、学校、剧院和酒吧相聚；人们还建立了不同类型、不同规模的团队和群体。
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在刚开始研究如何利用互惠行为来破解囚徒困境时，我曾经特别想知道，能不能从人口结构中找出解决囚徒困境问题的新方法。请别忘了，前两章的计算都是基于这样一个简单的假设：困境中的各方都处于均匀混合的人口环境中，每一方与其他任何一方相遇的机会都是均等的。在这种均匀的人口分布中，我们发现，背叛者总是能胜过合作者。但我们又必须承认，现实中的所有人口环境都存在一定的结构。那么，这个现实情况有何意义呢？人口结构是否会影响到简单囚徒困境的最终结果呢？是否存在某种人口结构，使得合作者可以完胜背叛者呢？
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人们之所以决定以聚居的方式生活在一起，而不是随机分散在各处，目的就是为了合作。那么，事情是如何发生的呢？例如，有一种观点认为，农业种植的成功为人类社区的出现奠定了基础，耕种产生的剩余食物为人们的定居叠分工合作提供了条件，部落中开始有了屠夫、烘焙师和蜡烛制造师。而另一种观点则将人类的聚居与古代信仰和宗教相挂钩。比如，位于土耳其的哥贝克利山丘（Göbekli Tepe，意为“大肚山”）就是一处有将近11 000年历史的圣所，采猎者在那里竖立了雕刻过的石灰岩石柱。这一重大发现说明，圣殿和神庙等宗教场所为之后的城市创建埋下了种子。
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也许，城市起源于人类为谋求生存而进行的抗争。斯图尔特·布兰德（Stewart Brand）在其著作《地球的法则》（Whole Earth Discipline）中提出，与城市有关的最早的发明就是防御墙。之后又有了四方形的建筑，可以有效地将人们庇护在墙内。剑桥大学考古学家科林·伦弗鲁（Colin Renfrew）认为，现代思维方式的产生促进了聚居生存模式的形式。也就是说，在新型智慧头脑的帮助下，我们的祖先可以实现更稳定的分工合作。不过，通过计算机模拟我发现，其实不需要任何脑力帮助，人们也可以形成聚居形态并从中获益。
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“上帝游戏”的启示
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生命与其地理分布之间的联系可以用所谓的“空间自动机”来体现，而对这一领域的探寻，可以追溯到伟大的约翰·冯·诺依曼的一项研究。他认为，我们可以用信息处理系统来类比生物有机体。他无疑是正确的，如今，人们在实验室中可以像编写计算机程序一样，编写并合成生物体的遗传代码。冯·诺依曼发现，试验繁殖（如试管中的水晶生长）与生物体的智能繁殖相比，差异很大，他对此困惑不已。为了解开心中的疑团，他希望能设计出一款高度复杂的、具备自我复制能力的机器。
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抱着这样的愿望，他设计出了“自我复制自动机”（self-reproducing automaton）。这个机器人“漂浮”于自身大量组件的“海洋”之上，就如同地球上的生物体一样，在构成生命的化学元素的簇拥之下繁衍生息。英国数学家阿兰·图灵（Alan Turing）以“通用图灵机”（Universal Turing Machine）的思想为计算机的发明奠定了逻辑基础，同时也给出了一个用来探索数学理论极限的绝妙的抽象设备，而冯·诺依曼则借鉴了图灵的研究成果。
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冯·诺依曼向人们证明，还存在着一个通用自动机，可以对物质的通用组装进行抽象模拟。自动机内部的逻辑错误可以理解为“突变”，这样更加复杂的自动机变种就有可能出现。在资源有限的环境中，选择的压力——适者生存原则，会带来达尔文式的进化。但在数学上，还没有一种严密的方法可以对这一理论进行分析，更无法构建并模拟这一进化过程。
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数学家斯塔尼斯拉夫·乌拉姆（Stanislaw Ulam）向冯·诺依曼建议，可以用他的方法对自我复制自动机进行简化。他的方法是，将冯·诺依曼的“机器”用纯逻辑的方式构建出来。乌拉姆提议用他命名的“铺砌机器人”（Tessellation Robots）来替代浮动的自动机。这个古怪的词汇其实指代着水晶的生长，因为水晶的生长过程就是靠单元模块“铺砌”完成的。现在，人们将乌拉姆的铺砌机器人称为“细胞自动机”（cellular automaton）。自动机由抽象的细胞阵列构成，它们有统一的进化规则。这些细胞如同棋盘上的一个个方格，统一进行计算，可以被认为是一类依据纯逻辑运转的有机体，但实际上，此处讨论的细胞与现实世界中的细胞并没有什么真正的联系。
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阵列中的每个细胞在某一给定时刻都有其具体的“状态”。这种状态可能是某种颜色，如红色、绿色或蓝色等，可能是一个数值，也可能是“开”、“关”两种状态中的一种。对于自动机而言，时间不是连续的，而是离散的。因此，时钟每“滴答”一下，自动机就会向前发展一步，阵列中的细胞就会依据简单的规则，从一个瞬间到下一个瞬间改变状态。而规则的制定不仅仅要参考细胞自身的状态，还要参考周边细胞的状态。据此，可以预先设定一份对照表，从而决定细胞下一步的状态。因此，黑白自动机的规则就可能是：如果所有相邻的方格都是黑色，那么中心方格就是白色。这种安排看似简单，但乌拉姆的细胞系统却能够模拟出冯·诺依曼最初设想的自动机所要模拟的任何东西。
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冯·诺依曼去世之后，细胞自动机的研究任务由后辈担了起来，密歇根大学心理学教授兼电子工程与计算机科学教授约翰·霍兰德（John Holland）就是杰出的一位。1960年，霍兰德初步设计出了一款与细胞自动机相关的“迭代电路计算机”（iterative circuit computer），它能够模仿生物遗传的进程。虽然名字听起来索然无味，但这一研究却激发了公众的想象。有报刊评论说，“他就是那个教会计算机做爱的人。”这种看待生命逻辑的观点逐渐站稳了脚跟，并影响到其他实验室研究人员的思想。其中最著名的一位，就是英国数学家约翰·康威（John Conway）。
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20世纪60年代末期，康威“占领”剑桥大学数学系长达几个月的时间，以寻找一个可以进行自我复制的假想机器。各种扑克牌、外国硬币、贝壳等手头的小物件，都被他用来代表“有生命的”方格，按规则摆出各种图形。每次茶歇时，康威就会开始执行规则，这些小物件也从一张小桌开始，渐渐摆满了公共休息室的地面。而在那时，康威就已开始利用计算机对寿命超长的种群进行研究。
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1970年，他将研究成果“生命游戏”（Games of Life）公诸于众。在有些游戏规则之下，图形迅速增长，没有极限；而在另一些规则之下，图形很快便消失了。因此，康威为他的自动机精心选定了规则，在这两个极端之间找到了微妙的平衡。通过几种规则的结合，就可以创造出包罗万象的图形，有些不断扩张，有些改变形态，有些则出其不意地消失殆尽。而“生命游戏”这一令人回味的命名，恰恰反映出了康威对它深深的痴迷和兴趣。
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因为玩家还可以把宇宙玩具放在手中摆弄，于是有些人也称之为“上帝的游戏”。参与到这场游戏中很容易，不需要见证任何奇迹，不用遵循任何宗教戒律，也不必阅读什么神圣的经典。只要想象有一张棋盘，其中几格放有棋子，然后遵循如下这些简单的规则。如果一个“空格”（无棋子的格称为“空格”）恰好有三个相邻“满格”（有棋子的格称为“满格”）——相邻包括对角线及前后左右的方向，这一“空格”就在相邻“满格”的帮助下“活过来”。如果一个格子有两个相邻“满格”，就维持原状。最后，如果一个“满格”有任意其他数量[1]的相邻“满格”，就会失去其中的棋子而变成空格。换用更加人性化的方式来表达这一规则就是：由于极度渴望友邻的爱，追求相互合作而不得，这个棋盘格将孤独或拥挤致死。
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康威还提出了一个假想：最初以有限个体数量形式存在的群体，不可能发展到无限个体数量形式。他愿为首位证实或证伪这一假想的个人或组织提供50美元奖金。1970年11月，这笔奖金颁给了麻省理工学院人工智能项目组的一个团队。这个团队发现了“滑翔机枪”（glider gun）模式，这一模式的行为就像一把枪，每隔30步的计时会自动射出一个由5颗棋子组成的“滑翔机”形状，滑翔机还会自行在棋盘上移动。因为每次射出滑翔机都增加5颗棋子，所以整个群体中的个体数量会无限增长。相互交错的滑翔机可以带来奇妙的效果，产生奇怪的图形，进而激发出更多的滑翔机。有时，冲撞会不断延展，直到吞噬掉所有的滑翔机枪。而在另一些情况下，大规模的冲撞会通过“回击”的方式毁掉滑翔机枪。
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由生命游戏产生的图形十分复杂。事实上，我们可以证明，只要有一个足够大的棋盘，细胞自动机就等价于通用图灵机。因此从理论上说，生命游戏具有可与任何计算机相媲美的强大能力。不难想象，细胞自动机将成为一种研究自然界中各种模式和结构的强大工具。16岁就发表了第一篇论文、17岁即入读牛津大学的著名科学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆（Stephen Wolfram），也是流行的Mathematica软件以及新型搜索引擎Wolfram Alpha的发明者。他在其著作《一种新科学》（A New Kind of Science）中为这一思想注入了全新的意义。他认为，存在于生命、宇宙以及任何事物中的复杂性与随机性，都是细胞自动机的成果。世间万物都可以被视为一场空间博弈。
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简单规则就可实现空间合作
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大约是20世纪90年代初期，当我还在牛津大学的时候就开始思考：我的研究课题可以利用“空间”作出什么样的文章。那个时候，我设计的计算机博弈中的所有玩家都游荡于均匀混合的群体之中，玩家之间随机相遇。但许多生命起源理论都认为，生命最初都是从空间上某个精确的点开始的。在那里，无机化学无意间跨过了从死到生的临界点，创造出有机化学。
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一个最广为人知的例子，就在查尔斯·达尔文于1871年写给他的朋友植物学家约瑟夫·胡克（Joseph Hooker）的一封信中：假设（这是多么了不起的一个假设啊！）在一个温暖的小池塘中，存在着氨、磷盐，还有光、热、电，等等。在化学作用下，一种蛋白质化合物形成了，随时准备迎接更为复杂的变化。在我们今天的环境中，这样的物质会立刻被吞噬或吸收，但在生命体形成之前的世界中，却不会出现这样的情况。
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在第6章中，我将详细讨论达尔文在这封信讲到的情境，并将就“前生命系统”与生命本身之间的抗争展开讨论。在牛津大学时，我从另一个角度对生命起源进行了探究。我开始思考如何将地理空间因素纳入到博弈论中。我想知道，如果囚徒困境或其他任何类型的博弈在分布于同一景观之中的玩家之间展开，会发生什么样的事情。我开始思考达尔文所说的“蛋白质化合物”，或在生命产生过程中起到关键作用的化学分子，并将这些元素视为空间博弈中的玩家。如果它们之间形成合作，那么生命就会产生。
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我们很容易发现，空间博弈与细胞自动机有着大致相同的运行模式。参加博弈的玩家被排列在与棋盘相仿的阵列之中（可以是三维排列，甚至更多）。每一轮中，各方格中的玩家与其相邻玩家进行博弈。一轮结束后，按输赢论定，该方格或保留在原先的主人手中，或是被其8个相邻玩家中的任意一个占领。换句话说，谁获得的回报多，谁就赢得这一回合，占领该方格。
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在研究生命起源时，如果能将各类分子、细胞或其他元素在空间中的排列方式，以及它们彼此之间的关系考虑在内，就能在普通的起源理论基础上取得重大突破。很多关于生命起源的情境假设都认为，化学反应发生在一种均匀混合的介质中，无论是在富含矿物质的流动的超高温热水中，还是在达尔文所谓的“温暖的小池塘”中；反应并不会发生在边缘地带的泥沼中，或是在四处飘荡的浮渣中；这就是所谓的原生汤（primordial soup），几代理论家都曾尝试着找到其具体构成，并假设其质地是均匀的，无论你想从哪里下手舀一勺，勺中的物质都是相同的。
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但是，也有一些起源理论认为，空间上的组织形态同样重要。有人提出，生命起源的早期阶段可能发生在岩石表面的某些点上，或是在黏土层之间。在这些位置上，分子聚合形成长长的链条。由于化学元素会以多种形式出现在岩石表面或黏土层之间，这样就会形成不同的合成物丛簇。著名进化生物学家约翰·梅纳德·史密斯所提出的“原生比萨饼”（primordial pizza）这个说法，是对这一思想的最好比喻。当我在牛津开始研究工作时，就成了一位比萨爱好者，一位制作“原生比萨饼”的厨子。
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从前人早期的研究中，我们也可以看到关于地理空间因素影响力的见解。在20世纪80年代末，我的导师鲍勃·梅与帝国理工学院希尔伍德公园校区（Imperial College，Silwood Park）的迈克尔·哈塞尔（Michael Hassell）共同进行了一项研究，研究对象是在昆虫身上与体内产卵的黄蜂。结果显示，捕食者与被捕食者均呈现一定的斑块性分布[2]。两位学者都认为这是空间生态学上的重大成果，尤其是鲍勃，在联合论文的作者署名问题上，他提议用25轮槌球游戏的输赢来定出先后。（鲍勃在比赛之后伤心地说：“很遗憾地告诉你，那篇论文的作者是哈塞尔和梅。”）他们努力探索地理空间因素给混沌理论带来的影响，而结果显示，生物种群的兴衰变化虽貌似随机，但从短期来看仍然可以预测。
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