鑽石舞台

人類對全球生態系統的影響似乎是嚴重、廣泛而不可逆轉的。但換個角度說，地球生命為了應對環境帶來的挑戰已經進化了35億年，那麼這種進化力量能否幫助地球上的生命在人類改變的環境中持續生存下去？

近日，一項發表在《美國國家科學院院刊》的新研究發現，當出現生物入侵時，進化在這期間似乎是不可阻擋的，但在經過一個世紀的快速適應後，進化好像又突然停滯了。

物種進化的故事實際上很像兩種力量的角逐，也就是自然選擇和進化約束。認識這種情況發生的原因，可能是未來掌握生物多樣性的關鍵。

進化約束

面對環境的挑戰，自然選擇可以成為當代時間尺度上進化變化的一種強大力量。加拉帕戈斯雀進化出了大小不同的喙，來適應不斷變化的種子來源；過度捕撈的鱈魚正變得越來越早成熟；千屈菜（Lythrum salicaria）會提前開花，從而應對加拿大安大略省北部更短的生長季節。

但進化也是有限度的。近幾十年來，一些研究人員將目光瞄準了物種在新的環境中的入侵和繁衍，從而研究自然界的快速進化，探索自然選擇和進化約束之間的相互作用。

適應新環境需要新的遺傳變體。自然選擇可以推廣那些能改善生存和繁殖的基因，但是如果沒有新的變體，適應進化則會停滯。

約束指的是相關物種具有共同特徵的原因，或者反過來說，這也是人身馬首的人馬族、美人魚和惡龍只存在於神話中的原因。因為沒有基因會在人類中產生蹄子或魚尾，也沒有基因會讓碩大無比的爬行動物長出翅膀。

通過限制自然選擇的「選項」，進化約束是滅絕的最終原因。作為一種自然選擇的制衡力量，進化約束並沒有得到非常深入的研究。但是一些實驗工具可以幫助我們理解它。

同質園研究

同質園（common garden）實驗是大約一個世紀前提出的，但它仍然是研究快速進化的遺傳基礎的黃金標準。

簡單來說，它會在一種統一的環境中種植具有遺傳關係的個體，並觀察生長和發育中的遺傳差異。在新研究中，利用千屈菜進行的同質園實驗揭示了自然選擇和進化約束之間的微妙角逐。

千屈菜能夠開出迷人的粉紫色花朵，但對北美各地的濕地而言，這卻是一種臭名昭著的入侵植物。在150年間，這個物種從馬里蘭向北擴散到了拉布拉多和薩斯喀徹溫，再往南延伸到了墨西哥灣和加利福尼亞南部。

生長在野外的千屈菜。（圖／liz west, Flickr, CC BY）

千屈菜和其他植物一樣，用於生長或繁殖的資源是有限的。有些基因會帶來更大的植物，有些基因則會讓植物更早開花。但沒有基因能同時兩者兼顧。這就代表了一種遺傳約束，讓植物通過提前開花或者長得更大來收集更多資源。

擁有的資源越多的植物就越有競爭力，它們就可以孕育更多花朵。但是，如果在這個季節開花太晚，溫度對授粉者和種子的發育而言太低了，就無法保證生長基因的傳遞，那麼額外的資源也會被浪費。

正是這種微妙的平衡，最終導致了一段最佳的開花時間，它可以追蹤生長季節長度的變化。

迅速擴張

那麼，隨着千屈菜在北美的擴張，自然選擇和進化約束是如何塑造它的開花時間的呢？

我們不能讓時光倒流，但過去的博物收藏提供了一個窺探過去的窗口。千屈菜的乾燥標本保存在北美幾十間植物標本館中。每個精心保存的標本都記錄下了它們的採集的地點和日期。

利用歷史天氣記錄，研究人員重建了每個標本的當地生長條件，並預測每株植物在一種統一的生長條件下會是什麼樣子，也就是說，他們建起了一座虛擬同質園，用這座虛擬的花園來重建整個北美150年的進化歷史。

帶來的結果非常驚人。在整個北美地區，為了應對較短的生長季節，較早開花的現象反覆進化出現。但是，在大約一個世紀之後，進化的速度似乎停滯了，這主要是受制於開花時間和體型大小之間的權衡。

這種進化的停滯在化石記錄中也被觀察到，而化石記錄的時間尺度往往要長得多。這似乎是進化的一種共同特徵。

兩種力量的角逐

制約讓我們有理由懷疑，進化是否真的有能力讓物種在充滿壓力的環境中免於滅絕。但是，制約也讓進化變得更加可預測了，至少在與人類文明最相關的較短的時間尺度上是這樣。

而這僅僅是個開始，千屈菜只是數百萬個物種中的一個。自然選擇和進化約束之間的平衡，在其他入侵物種，或者瀕臨滅絕的物種中是如何發揮作用的，顯然還需要更深入的研究。

研究人員還強調，在研究中，博物收藏品幫助我們了解過去，對未來做出預測。它們理應得到應有重視。