本文最初发布于 The Conversation。
人类对全球生态系统的影响可能非常严重、广泛且不可逆转。但地球生命在35亿年的时间里一直在进化以应对环境挑战：这些相同的进化力量能否帮助地球生命在人类改变的环境中持续存在？
我们最新的研究发现，在生物入侵期间，进化似乎势不可挡，但在经历了一个世纪的快速适应后却突然停止。理解为什么会发生这种情况，可能是管理未来一个世纪生物多样性的关键。
面对环境挑战，自然选择可以成为在当代时间尺度上推动进化变革的强大力量。加拉帕戈斯雀在改变的种子来源面前进化出不同的喙的大小，过度捕捞的鳕鱼成熟得更早，以及紫冠草为了应对安大略省北部更短的生长季节而提前开花。但进化是有极限的。
进化限制
近20年来，我一直在研究一些物种如何在新环境中入侵并茁壮成长。在皇后大学，我继续与学生和合作者一起研究自然界中的快速进化。
这项工作中的一个新兴主题是自然选择与进化限制之间的相互作用。
适应新环境需要新的遗传变异。自然选择可以促进有助于提高生存和繁殖能力的基因。但如果没有新的变异，适应性进化就会停滞。
限制是近亲物种拥有共同特征的原因，也是半人马、美人鱼和龙只存在于神话中的原因：人类没有产生蹄子或鱼尾的基因，大型爬行动物也没有翅膀。通过限制自然选择可用的选项，进化限制是灭绝的最终原因。
作为自然选择的制衡力量，进化限制并未得到同等深入的研究，这令人惊讶。但我们有为此服务的实验工具。
共同园艺研究
共同园艺实验在100年前被引入，至今仍是研究快速进化遗传基础的黄金标准。
它涉及在统一的环境中种植基因相关的个体，以观察生长和发育方面的遗传差异。在我们的实验室里，对紫冠草进行的共同园艺实验揭示了自然选择与进化限制之间微妙的平衡。
紫冠草，或称Lythrum salicaria，以其在加拿大和美国入侵湿地中吸引人的紫粉色花朵而闻名。在150年的时间里，这个物种从马里兰州扩散到北至拉布拉多和萨斯喀彻温省，南至墨西哥湾和南加州。
紫冠草与其他植物一样，在生长或繁殖上投入的资源是有限的。有些基因能让植物长得更大，有些则让植物更早开花。但没有基因能同时做到这两点。这代表了一种遗传限制，即无法同时实现提前开花或生长得更大以获取更多资源。
拥有更多资源的植物竞争力更强，能开出更多的花。但如果花期太晚，当温度过低，传粉者和种子发育无法确保将较大生长基因传递下去时，额外的资源就会被浪费。这种微妙的平衡产生了最适合的开花时间，能追踪生长季节长度的变化。
快速扩散
那么，自然选择和进化限制是如何影响紫冠草在北美扩散时的开花时间的呢？我们无法穿越回过去，但自然历史收藏品为我们与过去提供了切实可见的联系。
皇后大学的福勒植物标本馆以及北美数十个其他标本馆收藏着干燥的紫冠草标本。每件精心保存的标本都记录了采集的地点和日期。
利用历史天气记录，我们重建了每个标本的当地生长条件，以计算模拟预测如果每株植物在统一的生长条件下生长会是什么样子——一个虚拟的共同园艺。
不再受限于可行的种子收藏，我们将利用虚拟共同园艺来重建北美150年的进化历程。
结果令人震惊。为了应对北美各地不断缩短的生长季节，提前开花现象反复出现。但在大约一个世纪后，进化的速度似乎停滞了，受到开花时间和体型之间权衡的限制。这种进化停滞现象在更长的时间尺度上的化石记录中也观察得到。它似乎是进化的一个普遍特征。
限制是让我们对进化能否在压力环境下拯救物种免于灭绝持怀疑态度的良好理由。但限制也使得进化更加可预测，至少在与人类文明更相关的时间尺度上是如此。
这仅仅是开始——数百万物种中的一个。自然选择与限制之间的平衡在其他入侵物种或面临灭绝的物种中是如何发挥作用的？自然历史收藏品帮助我们理解过去，以预测未来。现在是它们获得应有关注的时候了。
Robert I Colautti是皇后大学（安大略省）生物学助理教授和快速进化加拿大研究主席（II级）。披露声明：Robert I Colautti的资金来自皇后大学、安大略省政府以及三个联邦资助机构：NSERC、SSHRC和CIHR。
