Ученые обнаружили бактерии, застрявшие в бесконечном эволюционном временном цикле

Озеро Мендота в Висконсине меняется вместе с временами года: зимой оно покрыто льдом, а летом — водорослями. Новое исследование показывает, как эти циклические изменения ввергают бактерии озера в эволюционные петли.

Команда исследователей из Техасского университета в Остине проанализировала 471 образец микробов из озера, собранных за 20 лет, изучая генетические вариации внутри и между видами с течением времени.

Данные показали, что тысячи видов бактерий эволюционируют из поколения в поколение, а затем возвращаются практически к исходному состоянию по мере смены сезонов. Учитывая, что микробы живут всего несколько дней, речь идет о генетической эволюции, охватывающей тысячи поколений в течение одного года.

Эти циклы повторялись из года в год, как видео, которое проигрывается, а затем воспроизводится задом наперед, возвращаясь к исходной точке. Из 2855 изученных бактериальных геномов циклические сезонные изменения были обнаружены у 80% из них.

«Это исследование полностью меняет наше понимание того, как микробные сообщества меняются со временем», — говорит морской ученый Бретт Бэйкер из Техасского университета в Остине. «Это только начало того, что эти данные расскажут нам о микробной экологии и эволюции в природе».

Как показал анализ, с изменением условий окружающей среды разные штаммы бактерий могли процветать и становиться доминирующими, только чтобы уступить место другим штаммам, когда сезоны снова менялись. Около 20% изученных видов показали более устойчивую модель генетических изменений, охватывающую десятилетия.

Это стало особенно заметно в 2012 году, когда озеро пережило более жаркое и сухое лето, чем обычно. Команда отметила значительные изменения в генах, отвечающих за метаболизм азота у бактерий в тот год, — скорее всего, из-за более низкого уровня водорослей, производящих азот, что было вызвано уменьшением притока воды в озеро.

С помощью суперкомпьютера, который значительно ускорил процесс, исследователи собрали так называемые метагеномы из каждого образца воды. Этот метод позволяет детально изучить генетические последовательности из фрагментов ДНК с течением времени.

«Представьте, что геном каждого вида — это книга, а каждый маленький фрагмент ДНК — это предложение», — говорит микробный эколог Робин Ровер из Техасского университета в Остине. «Каждый образец содержит сотни книг, все они разрезаны на эти предложения. Чтобы собрать каждую книгу заново, нужно определить, из какой книги взято каждое предложение, и сложить их в правильном порядке».

Результаты исследования показывают, что экология и эволюция идут рука об руку, а не действуют независимо друг от друга, — и это важная перспектива для исследователей, особенно при изучении планеты, которая продолжает нагреваться.

Знание того, какие штаммы бактерий будут доминировать, помогает ученым понять, сколько углерода могут поглощать озера, и как водные пищевые цепи могут быть затронуты адаптацией к более теплым сезонам.

«Изменение климата постепенно сдвигает сезоны и средние температуры, но также вызывает более резкие и экстремальные погодные явления», — говорит Ровер. «Мы не знаем точно, как микробы отреагируют на изменение климата, но наше исследование предполагает, что они будут эволюционировать в ответ как на эти постепенные, так и на резкие изменения».

Исследование опубликовано в журнале Nature Microbiology.