Озеро Мендота у штаті Вісконсін змінюється зміною пір року – взимку воно покривається льодом, а влітку – водоростями, і нове дослідження показує, як ці циклічні зміни вводять бактерії озера в еволюційні петлі. Під керівництвом дослідників з Техаського університету в Остіні команда дослідників проаналізувала 471 зразок озерних мікробів, зібраних протягом 20 років, вивчаючи генетичні варіації всередині та між видами протягом часу.
Дані показали, що тисячі видів бактерій еволюціонували з покоління в покоління, а потім поверталися до практично однакового стану зі зміною сезонів. Оскільки мікроби живуть лише кілька днів, ми говоримо про генетичну еволюцію, що перетинає тисячі поколінь протягом одного року. Ці цикли також повторювалися з року в рік, як відео, яке відтворюється, а потім відтворюється у зворотному напрямку, повертаючись до вихідної початкової точки. З 2855 вивчених геномів бактерій циклічні сезонні зміни були виявлені у 80 відсотків.
«Це дослідження повністю змінило наше розуміння того, як мікробні спільноти змінюються з часом», — каже морський учений Бретт Бейкер з Техаського університету в Остіні. «Це лише початок того, що ці дані розкажуть нам про мікробну екологію та еволюцію в природі».
Аналіз показав, що у міру зміни умов навколишнього середовища різні штами бактерій могли процвітати та ставати домінуючими, але втрачали позиції іншим штамам зі зміною пір року. Приблизно 20 відсотків досліджених видів показали більш стійку модель генетичних змін, що охоплює десятиліття. Це було особливо очевидно у 2012 році, коли літо на озері було спекотнішим і сухішим, ніж зазвичай. Команда відзначила суттєвий зсув у генах, які керують метаболізмом азоту бактерій того року – швидше за все, через нижчий рівень водоростей, що виробляють азот, внаслідок меншої кількості води, що тече в озеро.
За допомогою суперкомп’ютера, щоб значно прискорити процес, дослідники зібрали те, що називається метагеномами з кожного зразка води, метод, розроблений для уважного вивчення генетичних послідовностей фрагментів ДНК з часом.

«Уявіть, що геном кожного виду — це книга, а кожен маленький фрагмент ДНК — це речення», — говорить мікробний еколог Робін Ровер з Техаського університету в Остіні. «Кожен зразок містить сотні книг, усі розділені на ці речення. «Щоб знову зібрати кожну книгу, вам потрібно з’ясувати, з якої книги взято кожне речення, і знову скласти їх по порядку».
Результати свідчать про те, що екологія та еволюція, схоже, йдуть разом, а не діють чітко – і це важлива перспектива для дослідників, особливо під час вивчення планети, яка продовжує нагріватися. Знання того, які штами бактерій будуть домінувати, допомагає вченим з’ясувати, наприклад, скільки вуглецевих озер можуть поглинати – і як це може вплинути на водні харчові ланцюги через адаптацію до теплішої пори року.
«Зміна клімату повільно змінює пори року та середні температури, а також спричиняє більш різкі, екстремальні погодні явища», — каже Ровер. «Ми точно не знаємо, як мікроби реагуватимуть на зміну клімату, але наше дослідження показує, що вони еволюціонуватимуть у відповідь як на ці поступові, так і на різкі зміни». Дослідження опубліковано в Nature Microbiology.