Озеро Мендота у Вісконсині змінюється із сезонами: взимку його покриває лід, а влітку – водорості. Нещодавнє дослідження показує, як ці циклічні зміни впливають на еволюцію бактерій в озері.
Дослідники з Техаського університету в Остіні проаналізували 471 зразок мікроорганізмів, зібраний за 20 років, вивчаючи генетичні варіації всередині й між видами впродовж цього часу.
Дані показали, що тисячі видів бактерій еволюціонували поколіннями, а потім поверталися до майже ідентичного стану з приходом нового сезону. Оскільки мікроби живуть лише кілька днів, це означає, що генетична еволюція перетинала тисячі поколінь протягом одного року.
Ці цикли повторювалися щороку, наче відео, яке програється вперед і назад. Сезонні зміни вплинули на 80% із 2 855 досліджених бактеріальних геномів.
“Це дослідження кардинально змінює наше розуміння того, як мікробні спільноти змінюються з часом,” говорить морський науковець Бретт Бейкер із Техаського університету в Остіні. “Це лише початок того, що ці дані можуть розповісти нам про мікробну екологію та еволюцію в природі.”
Зі зміною навколишніх умов різні штами бактерій домінували в екосистемі, а з поверненням попередніх умов поступалися місцем іншим. Приблизно 20% видів показали стійкіші моделі генетичних змін, які тривали десятиліттями.
Особливо це стало помітним у 2012 році, коли літо було спекотнішим і сухішим, ніж зазвичай. Тоді дослідники зафіксували значну зміну в генах, що відповідають за метаболізм азоту у бактерій – ймовірно, через менший рівень азотних водоростей, викликаний зниженим притоком води до озера.
Використовуючи суперкомп’ютер для пришвидшення процесу, вчені створили так звані метагеноми з кожного зразка води. Цей метод дозволяє відстежувати генетичні послідовності ДНК фрагментів у часі.
“Уявіть, що геном кожного виду – це книга, а кожен фрагмент ДНК – це речення,” пояснює мікробний еколог Робін Ровер. “Кожен зразок містить сотні таких книг, розрізаних на речення. Щоб відновити кожну книгу, потрібно визначити, якому виду належить кожне речення, і зібрати їх у правильному порядку.”
Дослідження показує, що екологія та еволюція працюють спільно, а не окремо – важливий висновок для дослідників, які вивчають планету, що нагрівається.
Розуміння того, які штами бактерій домінують, допомагає вченим прогнозувати, скільки вуглецю озера можуть поглинати, і як зміни у водних харчових ланцюгах можуть адаптуватися до тепліших сезонів.
“Кліматичні зміни поступово зрушують сезони та середні температури, але також викликають раптові екстремальні погодні явища,” зазначає Ровер. “Ми не знаємо точно, як мікроби реагуватимуть на ці зміни, але наше дослідження вказує на те, що вони еволюціонуватимуть як у відповідь на поступові, так і на раптові зміни.”
Дослідження опубліковане в журналі Nature Microbiology.