Podobnie jak Bill Murray w filmie „Dzień świstaka”, gatunki bakterii w jeziorze w stanie Wisconsin znajdują się w swego rodzaju nieskończonej pętli, z której nie mogą się ruszyć. Z wyjątkiem tego przypadku jest to bardziej Rok Świstaka.
Według nowego badania opublikowanego w Nature Microbiology naukowcy odkryli, że w ciągu roku większość poszczególnych gatunków bakterii w jeziorze Mendota szybko ewoluowała, najwyraźniej w odpowiedzi na dramatycznie zmieniające się pory roku. Warianty genów będą powstawać i spadać z pokolenia na pokolenie, jednakże setki odrębnych gatunków powrócą niemal całkowicie do kopii tego, czym były genetycznie sprzed około tysiąca pokoleń nacisków ewolucyjnych. (Poszczególne drobnoustroje żyją zaledwie kilka dni, a nie całych pór roku, zatem praca naukowców polegała na porównaniu genomów bakterii w celu zbadania zmian zachodzących w gatunkach w czasie.) Ta sama zmiana sezonowa występowała rok po roku, jak gdyby ewolucja była procesem film za każdym razem wracał do początku i odtwarzał go od nowa, pozornie donikąd.
„Byłem zaskoczony, że tak duża część społeczności bakteryjnej przechodzi tego typu zmiany” – powiedziała Robin Rohwer, badacz ze stopniem doktora na Uniwersytecie Teksasu w Austin w laboratorium współautora Bretta Bakera. „Miałem nadzieję zaobserwować tylko kilka fajnych przykładów, ale było ich dosłownie setki”.
Rohwer kierował badaniami, najpierw jako doktorant współpracujący z Triną McMahon na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, a następnie na UT.
Jezioro Mendota zmienia się znacznie z sezonu na sezon – zimą jest pokryte lodem, a latem porośnięte glonami. W obrębie tego samego gatunku bakterii szczepy lepiej przystosowane do jednego zestawu warunków środowiskowych będą w sezonie konkurować z innymi szczepami, podczas gdy inne szczepy będą miały szansę zabłysnąć w różnych porach roku.
Zespół wykorzystał jedyne w swoim rodzaju archiwum 471 próbek wody pobranych w ciągu 20 lat z jeziora Mendota przez McMahona, Rohwera i innych badaczy z UW-Madison w ramach długoterminowych projektów monitorowania finansowanych przez National Science Foundation. Dla każdej próbki wody złożyli metagenom, czyli wszystkie sekwencje genetyczne z fragmentów DNA pozostawionych przez bakterie i inne organizmy. W rezultacie uzyskano najdłuższe szeregi czasowe metagenomu, jakie kiedykolwiek zebrano z układu naturalnego.
„To badanie całkowicie zmienia zasady gry w naszym rozumieniu zmian społeczności drobnoustrojów w czasie” – powiedział Baker. „To dopiero początek tego, co te dane powiedzą nam o ekologii drobnoustrojów i ewolucji w przyrodzie”.
Archiwum to ujawniło również trwalsze zmiany genetyczne.
W 2012 r. nad jeziorem panowały niezwykłe warunki: pokrywa lodowa stopiła się wcześnie, lato było gorętsze i bardziej suche niż zwykle, dopływ wody z rzeki wpływającej do jeziora zmniejszył się, a glony, które są ważnym źródłem azotu organicznego dla bakterii było mniej niż zwykle. Jak odkrył Rohwer i zespół, wiele bakterii żyjących w jeziorze doświadczyło w tym roku poważnych zmian w genach związanych z metabolizmem azotu, prawdopodobnie z powodu niedoboru glonów.
„Pomyślałem, że spośród setek bakterii uda mi się znaleźć jedną lub dwie, które wykazują długoterminową zmianę” – powiedział Rohwer. „Ale zamiast tego u 1 na 5 gatunków doszło do dużych zmian w sekwencji, które trwały latami. Udało nam się wniknąć głęboko tylko w jeden gatunek, ale u niektórych innych gatunków prawdopodobnie również doszło do poważnych zmian w genach”.
Klimatolodzy przewidują więcej ekstremalnych zjawisk pogodowych – takich jak gorące i suche lato nad jeziorem Mendota w 2012 roku – w środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych w nadchodzących latach.
„Zmiany klimatyczne powoli zmieniają pory roku i średnie temperatury, ale powodują także bardziej gwałtowne, ekstremalne zjawiska pogodowe” – powiedział Rohwer. „Nie wiemy dokładnie, jak drobnoustroje zareagują na zmiany klimatyczne, ale nasze badanie sugeruje, że będą ewoluować w odpowiedzi zarówno na te stopniowe, jak i nagłe zmiany”.
W przeciwieństwie do innego słynnego eksperymentu ewolucji bakterii na UT, Long-Term Evolution Experiment, badanie Rohwera i Bakera obejmowało ewolucję bakterii w złożonych i stale zmieniających się warunkach przyrody. Naukowcy wykorzystali zasoby superkomputerowe w Texas Advanced Computing Center (TACC) do rekonstrukcji genomów bakterii z krótkich sekwencji DNA w próbkach wody. Rohwer oszacował, że ta sama praca, której ukończenie w TACC zajęłoby kilka miesięcy, w przypadku laptopa zajęłaby 34 lata i obejmowałaby ponad 30 000 genomów około 2800 różnych gatunków.
„Wyobraźmy sobie, że genom każdego gatunku to książka, a każdy mały fragment DNA to zdanie” – powiedział Rohwer. „Każda próbka składa się z setek książek pociętych na zdania. Aby złożyć każdą książkę, musisz dowiedzieć się, z której książki pochodzi każde zdanie, i ułożyć je w odpowiednią kolejność”.
Inni współautorzy nowego badania to Mark Kirkpatrick z UT; Sarahi Garcia z Uniwersytetu Carla von Ossietzky'ego w Oldenburgu (Niemcy) i Uniwersytetu w Sztokholmie; oraz Matthew Kellom z Joint Genome Institute Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
Jest to jeden z dwóch powiązanych artykułów opublikowanych w czasopiśmie; artykuł towarzyszący skupia się na ekologii i ewolucji wirusów z tych samych próbek jezior.
Wsparcie dla tych badań zostało częściowo zapewnione przez amerykańską Narodową Fundację Naukową, Amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia, Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, Fundację Simonsa oraz Fundację im. E. Michaela i Winony Foster-WARF Stypendium absolwentów Wisconsin Idea w dziedzinie mikrobiologii.