人类对全球生态系统的影响似乎是严重、广泛而不可逆转的。但换个角度说，地球生命为了应对环境带来的挑战已经进化了35亿年，那么这种进化力量能否帮助地球上的生命在人类改变的环境中持续生存下去？
近日，一项发表在《美国国家科学院院刊》的新研究发现，当出现生物入侵时，进化在这期间似乎是不可阻挡的，但在经过一个世纪的快速适应后，进化好像又突然停滞了。
物种进化的故事实际上很像两种力量的角逐，也就是自然选择和进化约束。认识这种情况发生的原因，可能是未来掌握生物多样性的关键。
进化约束
面对环境的挑战，自然选择可以成为当代时间尺度上进化变化的一种强大力量。加拉帕戈斯雀进化出了大小不同的喙，来适应不断变化的种子来源；过度捕捞的鳕鱼正变得越来越早成熟；千屈菜（Lythrum salicaria）会提前开花，从而应对加拿大安大略省北部更短的生长季节。
但进化也是有限度的。近几十年来，一些研究人员将目光瞄准了物种在新的环境中的入侵和繁衍，从而研究自然界的快速进化，探索自然选择和进化约束之间的相互作用。
适应新环境需要新的遗传变体。自然选择可以推广那些能改善生存和繁殖的基因，但是如果没有新的变体，适应进化则会停滞。
约束指的是相关物种具有共同特征的原因，或者反过来说，这也是人身马首的人马族、美人鱼和恶龙只存在于神话中的原因。因为没有基因会在人类中产生蹄子或鱼尾，也没有基因会让硕大无比的爬行动物长出翅膀。
通过限制自然选择的“选项”，进化约束是灭绝的最终原因。作为一种自然选择的制衡力量，进化约束并没有得到非常深入的研究。但是一些实验工具可以帮助我们理解它。
同质园研究
同质园（common garden）实验是大约一个世纪前提出的，但它仍然是研究快速进化的遗传基础的黄金标准。
简单来说，它会在一种统一的环境中种植具有遗传关系的个体，并观察生长和发育中的遗传差异。在新研究中，利用千屈菜进行的同质园实验揭示了自然选择和进化约束之间的微妙角逐。
千屈菜能够开出迷人的粉紫色花朵，但对北美各地的湿地而言，这却是一种臭名昭著的入侵植物。在150年间，这个物种从马里兰向北扩散到了拉布拉多和萨斯喀彻温，再往南延伸到了墨西哥湾和加利福尼亚南部。
生长在野外的千屈菜。（图／liz west, Flickr, CC BY）
千屈菜和其他植物一样，用于生长或繁殖的资源是有限的。有些基因会带来更大的植物，有些基因则会让植物更早开花。但没有基因能同时两者兼顾。这就代表了一种遗传约束，让植物通过提前开花或者长得更大来收集更多资源。
拥有的资源越多的植物就越有竞争力，它们就可以孕育更多花朵。但是，如果在这个季节开花太晚，温度对授粉者和种子的发育而言太低了，就无法保证生长基因的传递，那么额外的资源也会被浪费。
正是这种微妙的平衡，最终导致了一段最佳的开花时间，它可以追踪生长季节长度的变化。
迅速扩张
那么，随着千屈菜在北美的扩张，自然选择和进化约束是如何塑造它的开花时间的呢？
我们不能让时光倒流，但过去的博物收藏提供了一个窥探过去的窗口。千屈菜的干燥标本保存在北美几十间植物标本馆中。每个精心保存的标本都记录下了它们的采集的地点和日期。
利用历史天气记录，研究人员重建了每个标本的当地生长条件，并预测每株植物在一种统一的生长条件下会是什么样子，也就是说，他们建起了一座虚拟同质园，用这座虚拟的花园来重建整个北美150年的进化历史。
带来的结果非常惊人。在整个北美地区，为了应对较短的生长季节，较早开花的现象反复进化出现。但是，在大约一个世纪之后，进化的速度似乎停滞了，这主要是受制于开花时间和体型大小之间的权衡。
这种进化的停滞在化石记录中也被观察到，而化石记录的时间尺度往往要长得多。这似乎是进化的一种共同特征。
两种力量的角逐
制约让我们有理由怀疑，进化是否真的有能力让物种在充满压力的环境中免于灭绝。但是，制约也让进化变得更加可预测了，至少在与人类文明最相关的较短的时间尺度上是这样。
而这仅仅是个开始，千屈菜只是数百万个物种中的一个。自然选择和进化约束之间的平衡，在其他入侵物种，或者濒临灭绝的物种中是如何发挥作用的，显然还需要更深入的研究。
研究人员还强调，在研究中，博物收藏品帮助我们了解过去，对未来做出预测。它们理应得到应有重视。
#创作团队：
原文作者：Robert I Colautti（加拿大皇后大学生物学助理教授）
编译：Måka
排版：雯雯
#参考来源：
https://theconversation.com/rapid-evolution-has-limits-and-knowing-this-can-help-with-conservation-180932
#图片来源：
封面图&首图：liz west, Flickr, CC BY
发表于 2022-6-6 00:08
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