《科学》封面:287位科学家讲述了一个前所未有的演化故事

时间: 2024-03-15 08:22:34 |   作者: 云开平台

  城市化进程重塑了地球的外貌,也改变了大量生物栖息的环境。在全球一半人口生活在城镇区域的今天,那些仍然生存在城市中的生物,怎么来适应从草原、湿地到“钢筋森林”的环境剧变?

  尽管人们早已开始了解人类活动和城市化对生物演化的影响,但全世界内的演化图景却不清晰——我们不知道,同种生物在北美洲和非洲的城市中,是否按照同样的方式演化。

  直到本周,在《科学》杂志的封面文章中,多达287位科学家通过一项前所未有的全球大规模研究项目——全世界城市演化项目(GLUE),为我们讲述了一个在人类影响下的物种平行演化故事。这项研究也提供了迄今为止最为清晰的证据,阐述了人类如何驱动全球生命的演化。

  要研究这样的问题,首先要找到比较合适的研究对象。GLUE的科学家选择了白车轴草(Trifolium repens,俗称白三叶草,我们熟悉的三叶草也包含了这种植物),这种多年生草本植物演化速度极快,因此能及时反映人类活动的影响;另一方面,它们在除南极洲以外的所有大洲广泛分布,可以说,几乎每一座城市中,都能找到这种植物——能做到这一点的物种寥寥无几。

  在这项研究中,全球科学家从26个国家160座城市及周围乡村的超过6000个种群中,收集了超过11万株白车轴草。从对卫星图像的对比分析中,研究者已经发现,相比于不同乡村的环境差异,不同城市的环境条件更为相似。因此他们盼望通过白车轴草揭示的是,与长在乡村地区的白车轴草相比,城市中的白车轴草为了适应环境变化,是否会表现出类似的定向演化?

  ▲研究团队对来自全球的超过11万株白车轴草进行了分析(图片来自:Nick Iwanyshyn)

  在其他案例中,相似的环境常常会导致相近的演化方向,但人们也找到了不少反例。令科学家感到好奇的是,为什么一些生物会在类似的环境中平行演化,另一些却有着独特的演化方式?

  GLUE的科学家关注的,是白车轴草的一个特征性产物:氰化氢。部分白车轴草体内会产生剧毒的氰化氢,一种原因是用作防御机制,避免食草动物的进食;另一方面,能够在一定程度上帮助植株抵御环境压力,增强在干旱或霜降环境下的生存能力。

  研究团队分析比较了不同城市与乡村中,白车轴草生成氰化氢的频率。结果, 在39%的城市中(62座),白车轴草产氰化氢的比例明显低于周围乡村; 相反,仅有13座城市(占8%)白车轴草产氰化氢的比例高于乡村。对超过2000株样本的全基因组测序表明,自然选择是导致这一性状演化的主要驱动力。也就是说,多数情况下,城市化导致的环境变化使得产生氰化氢的白车轴草比例下降了。

  ▲在不同的城市与乡村地区,白车轴草展现出显著差异(图片来自:参考资料[1])

  另一个需要我们来关注的问题是,在不一样的地区,城乡白车轴草的性状差异幅度各不相同。是什么因素导致了这样的差异?结合不一样的地区的卫星图像,研究团队找到了答案。一个生物因素——植被分布(反映食草动物的破坏情况),以及一个非生物因素——干旱,共同导致了上述差异。

  具体来说,在食草动物压力较大的地区,这些动物的存在使得乡村中产氰化氢的植株比例更高;但在食草动物压力不大的地方,干旱就成了主要影响因素,驱使产氰化氢的植株比例增加。

  总体而言,尽管不一样的地区程度有所差异,但在全球的大多数地区,城市化导致白车轴草中的防御性分子出现频率下降,这反映了城市中干旱压力和食草动物压力的下降。因此在全世界内,这些植株表现出了相似的适应性演化趋势。

  白车轴草虽小,但通过这一种常见植株揭示的问题足够重要。根据这项研究的发现,科学家可以开发保护稀有物种的策略,帮助它们适应城市环境;另一方面,当我们大家都希望让一些害虫和病原体远离城市时,这项研究也可能为我们找到应对策略。

  这项研究的共同领导者,加拿大密西沙加大学的博士生James Santangelo说:“我们早已了解,人类对城市环境和生态产生了巨大影响,但我们通过这项研究证明了,这种改变在全世界内总是以类似的方式发生。”