纽约市的棕色老鼠可能会进化出更小的牙齿排。美国东部的小鱼都有适应在被污染的城市水域生存．在全球范围内，城市里的生物进化与周围乡村的生物进化是不同的。
这种情况也发生在植物中:一项新的研究发现，多伦多市中心的白色三叶草比周围农村地区的三叶草更不可能产生一种阻止食草动物的氰化物——这一趋势在许多国家的城市中都有反映。这也发生在鸟类身上:欧洲的鸣禽和阿根廷的猫头鹰在与认知相关的基因中显示了自然选择的证据。
所有这些都是城市进化的例子:基因变化可能有助于生物适应大城市环境的生活。“城市会极大地改变环境。它创造了一个全新的生态系统，”多伦多大学密西索加分校的进化生态学家马克·约翰逊说。
这座城市也是地球上增长最快的生态系统，居住着世界上一半以上的人口。因此，研究城市环境下的物种进化，这一在千年之初几乎不存在的领域，现在成为许多生物实验室的焦点，也许并不奇怪。
城市可以成为解决进化中长期存在的问题的试验台。当面对相同的环境压力时，同一物种的不同种群会以相似的方式进化吗?在相同位置的不同物种会进化出相似的特征吗?
约翰逊说，数千个城市的许多环境因素都是相似的:比如更高的温度、污染和被建筑和道路分割的栖息地。但城市在年龄、绿地数量、气候等方面也存在差异。
“你可以看看这些相似点和不同点，然后开始问，这是如何推动进化的?”约翰逊说。
观察生物对城市生活的反应也有助于改善保护管理或虫害控制，并规划具有功能良好的生态系统的城市，使其在环境上更强大，更适合人们居住。
城市的演变可能会暗示我们未来的世界。“城市是理解应对全球气候变化的关键，”俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的进化生态学家萨拉·戴蒙德(Sarah Diamond)说一篇关于城市演化研究的文章在生态学、进化与系统学年度评论．“你可以穿越时间。你可以说，‘这座城市正在给你带来我们预计在2050年、2070年或2100年的全球气候变暖。’”
温尼伯曼尼托巴大学的进化生态学家Colin Garroway说，人们经常觉得城市生活与自然隔绝了。“但城市是自然。”
从后门往外看
城市进化最著名的例子可能是英国胡椒蛾，它们的颜色在19世纪因煤炭污染而变暗。在一个著名的1955年的论文，英国遗传学家Bernard Kettlewell提出的证据表明，这是自然选择的一个案例黑暗帮助飞蛾躲避鸟类的捕食他们在乌黑的树干上休息。
但是直到最近，城市进化生态学的研究领域仍然很小:“大多数进化生物学家不会死在城市里，”约翰逊说。随着20世纪90年代城市生态学研究的快速发展，这种情况开始发生变化，并随着一些惊人的快速进化案例的发现而加速，例如加勒比地区的蜥蜴显示出更大的脚趾面积，对附着在表面至关重要在2017年两次大飓风之后。
进化生物学的教授一般都是在城市大学工作，他们对自己家后院发生的事情很好奇，这对他们没有坏处。“这些动态就在你身边发生，”凯斯西储的进化生态学家瑞恩·马丁说年度审核篇文章。“走出去看看你的花园，你会看到一群本地传粉者，它们可能都在进化，以应对城市的这些变化....你不需要做任何特别的事情就能看到这些有趣的动态;你走出门去。”
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水跳蚤水蚤麦格纳一种大小可达几毫米的淡水甲壳类动物，是一种忙于在城市中进化的物种，以应对高温、污染甚至当地的捕食者。比利时鲁汶大学研究水蚤的进化生态学家Kristien Brans说，这些浮游动物可以防止有毒蓝藻在池塘中大量繁殖，所以这种适应可能会对淡水生态系统产生重大影响。
这类城市调查的一个基本挑战是区分对环境改变的两种反应模式:进化(出现在几代人之间的基因改变)和表型可塑性(生物体一生中改变物理和/或行为特征的灵活性)。
对于水蚤来说，两者都在起作用。跳蚤在与城市池塘温度相匹配的实验室实验中，升高的温度更小比在农村池塘里饲养的跳蚤成熟和繁殖更快，因为池塘的温度往往要低几度。(这就是表型可塑性——没有发生基因变化。)但随着时间的推移，一代又一代生活在温暖的城市池塘水域的城市水蚤在基因上发生了同样的变化。(进化)。
例如，在2017年的一篇论文中，Brans和她的同事从一系列栖息地——一些更接近农村，一些更接近城市——采集了水蚤种群，在测试它们在城市温度的水中和农村温度的水中生存的能力之前，饲养了它们许多代。城市池塘蚤具有较高的耐热性在温暖的池塘中比从农村池塘收集的那些，随着体型变小等变化。
2018年发表的一项后续研究表明，城市水蚤体内脂肪、蛋白质和糖类的浓度明显高于农村水蚤，特征变化与处理压力，如热以及更快的生命周期有关。
布兰斯和同事最近也发现城市的水蚤比农村的水蚤更容易在常见的杀虫剂下存活的数量水蚤显示不同的基因适应农药这取决于他们是生长在池塘周围的传统农场，有机农场或自然保护区。在实验室测试中，从传统农田周围的池塘中采集的水蚤显示出对一种名为毒死蜱的农药的更高抗性，这种农药在这种农场中经常使用。有机农场附近的跳蚤对有机农业允许使用的两种杀虫剂有更强的抵抗力。
通过查阅食物链，布兰斯和同事有证据表明城市水蚤和以它们为食的掠食性昆虫——豆娘——正在同步进化．例如，城市豆娘幼虫比农村的豆娘幼虫在遇到和吞食农村水蚤方面要好得多。但它们捕食城市跳蚤的难度更大。换句话说，当农村或城市的豆娘和跳蚤种群匹配时，就会有更多的平衡，就像你所期望的那样，如果两个种群相互进化的步调一致。
布兰斯还在研究生活在其中的微生物是如何生存的水蚤城乡差别很大。这些微生物群落(或称微生物群落)决定了水蚤可以吃什么，而一些跳蚤的基因类型促进了微生物群落的形成，使跳蚤能够消化能在池塘中泛滥的有毒蓝藻细菌。
适应成功与否
橡子蚁提供了城市适应性进化的另一个例子。由于蜂群非常小，它们可以住在一颗橡子里，它们很容易学习．(“把它们放在一个小塑料杯里，加入一些糖水和一些死粉虫，它们会非常开心，”马丁说。)马丁和戴蒙德发现，在俄亥俄州克利夫兰的蚁群——其市中心的全年平均温度比乡村高出4摄氏度——比乡村蚂蚁有更高的耐热性，但较低的耐寒性。“我们非常确信这是由于潜在的基因差异，”马丁说。
曼哈顿的褐鼠提供了城市进化的另一个例子，尽管它可能不会给那些不受欢迎的生物带来优势。纽约福特汉姆大学的进化生态学家Jason Munshi-South和他的同事分析了262只老鼠的基因组，发现这些动物有在不同的区域进化出不同的基因组．科学家们认为，这是因为老鼠种群不能在这些点之间自由移动，随着时间的推移，会慢慢产生差异。
是什么让它们分开的?科学家们说，曼哈顿中城可能是曼哈顿下城和上城之间的一种软屏障，因为这里居住环境较差(提供的食物较少)，而且是鼠患防治力度较大的地方。根据在新奥尔良、巴西萨尔瓦多和加拿大温哥华的研究，道路和水路也可以在基因上分裂老鼠种群老鼠在不同的社区也表现出基因变异．
这样的见解在设计抑制老鼠数量的措施时可能会被证明是有用的。“如果你了解老鼠是如何四处走动的，以及什么促进或阻止了它们的移动，你就可以把城市分解成更易于管理的单元啮齿动物控制”,Munshi-South说。
老鼠的其他变化可能是适应性的。Munshi-South的实验室有证据表明自然选择是改变老鼠的头骨因此它们的鼻子更长，牙齿更短。科学家们推测，这可能分别是对寒冷环境的适应和对人类剩菜的饮食。城市白足鼠的牙齿也发生了类似的变化，所以这可能是城市啮齿类动物的普遍现象，Munshi-South说。
在三叶草
城市植物也在遗传中移动，比如白三叶草，一种在人类景观中茁壮成长的多年生植物。这种植物，由于两个已知基因的活性，可以产生氰化氢，如果它投入资源这样做。这可以保护它不被食草动物吃掉。
约翰逊的实验室从多伦多中心到周边农村地区对植物进行取样，发现了一种惊人的遗传相关性离中心越近，产生的氰化物就越少．约翰逊和他的同事们认为，这是因为冬季的中心更冷，因为积雪更少，而产生氰化氢的植物更容易受到冰冻的影响。(他的实验室在其他几十个北美城市也发现了大致类似的结果。)
为了更深入地研究城市的演变，几年前，约翰逊和同事们推出了全球城市演变项目(胶水)，汇集了26个国家的287名科学家。(很多回应微博约翰逊说:“如果不包括人类基因组计划，GLUE是进化生物学有史以来最大的合作研究。”
《胶水》以白三叶草的氰化物生产为模型，对三个问题进行了研究。不同城市的城市化实例会导致相似的当地环境吗?这些相似的环境是否会导致三叶草沿着相同的路线进化——显示出平行的进化——以一种有趣的特征(在这种情况下，氰化物的产生)?如果是这样，是什么环境因素导致了这种模式?
在一个新的科学纸,合作者表明，城市环境确实彼此非常相似，与偏远的农村地区相比，它们有更少的植被，更不透水的表面和更高的夏季温度。(约翰逊评论说，事实上，北京和波士顿等城市的市中心在这些因素上比农村地区更相似。)通过分析来自26个国家160个城市的超过11万株三叶草，GLUE的调查人员也证明了城市化和三叶草氰化物生产之间的紧密联系。在对2000多个三叶草基因组进行测序并分析城乡差异后，研究人员表明，自然选择确实在起作用。
观看视频:一项全球实验涉及二十多个国家的数百名科学家，他们使用白三叶草详细研究城市进化的一个方面。具体来说，这个名为“全球城市演变项目”(Global Urban Evolution Project，简称glue)的项目研究了工厂中城市/农村氰化氢生产的模式，以及可能导致这种模式的环境因素。图片来源:©2022 Sherry (Sheng Yu) An
但是是什么环境因素导致了氰化物的变化呢?“答案相当复杂，”约翰逊说，可能对所有城市都不一样。该团队发现的最重要的变化是整体植被的变化(可能与吃三叶草的食草动物的数量和多样性有关)和环境的干旱。他说:“我们没有看到温度明显上升，这是我们在观察波士顿、多伦多、蒙特利尔和纽约时确定的。”
他补充说，第一个GLUE的结果表明，白三叶草是一个强大的全球模型，可以用来理解城市化过程中的进化和生态。
差距在城市
随着研究人员继续研究大城市的演变，一些人开始关注社会和经济不平等的影响。华盛顿西雅图大学的进化生态学家Simone Des Roches说，问题是植物和动物在低收入社区和高收入社区的进化是否不同。2020年一篇论文的主要作者城市中社会、生态和进化动态的相互作用德罗奇指出，美国的种族歧视产生了截然不同的城市环境。
贫困的社区往往温度更高，更容易受到污染物和其他环境不利因素的影响。这些地方可以成为蚊子和老鼠等喜欢与人为伴的携带疾病的害虫的游乐场:入侵的虎蚊会变大比如在巴尔的摩有废弃建筑的社区。研究人员想知道，在这些不利的环境中，生物是否会以不同的方式进化。
城市演化研究也可以揭示在这个时代的未来人类世并提出可能实现人类和其他生命形式更友好的世界的步骤。戴蒙德说，例如，在许多城市，科学家可以确定工业化导致高水平变暖的起始日期。然后，研究人员可以测量一个物种的耐热性和耐寒性随着时间的推移发生了多大的变化，推断出这些特征的进化速度，并应用这些推断来预测生命形式将如何应对未来的气候变化。
戴蒙德对橡子蚂蚁的研究表明，农村人口可能会进化到能够承受更大的热量。但是，她说，城市橡子蚁对城市的适应程度似乎不如农村蚂蚁对其祖先家园的适应程度。
与此同时，Brans希望将她的研究应用于保护城市生物多样性和公共健康，因为城市保护管理者将希望看到池塘中增加健康的水蚤种群，以支持生态系统抵御有毒藻类的繁殖。18新利官网多久了
不幸的是，能够促进适应的基因生物多样性在城市地区经常减少。例如，在加洛威的实验室工作的Chloé Schmidt进行的一项基因调查发现，这种情况，以及较低的种群规模，对生活在更混乱环境中的北美哺乳动物．在这么多动物和植物的自然栖息地退化或被破坏的时期，这是一个令人担忧的问题。
科学家们并没有把城市环境作为影响的精确模型气候变化．但他们表示，这类研究将为生物对水和食物供应减少、暴露于污染、高温、干旱和其他危险的反应提供重要线索。
约翰逊说:“我们处于人类世，我们不知道我们是如何在各个层面改变环境的，从温室气体排放到改变我们周围生命的进化。”“人们意识到这项研究是解决方案的一部分。”
