如影随形

美国一座湖的生物：不断被困在统一年里

发布时间：2025-02-16 08:35编辑：[db:作者]浏览（102）

每年的 2 月 2 日，北美地域都市迎来传统节日——土拨鼠日（Groundhog Day）。人们经由过程察看土拨鼠能否看到本人的影子，来猜测春天何时到来。而在片子《土拨鼠之日》中，男配角菲尔·康纳斯（Phil Connors）堕入了时光轮回，无论怎样尽力，天天醒来都市回到这一天。这种“鬼打墙”般的阅历听起来像是片子中的荒谬设定，但是，年夜天然中实在也有相似的景象，只不外配角不是人类，而是肉眼难见的微生物。往年 1 月，《天然·微生物学》（Nature Microbiology）上宣布了一项研讨，报告了如许一个产生在美国威斯康星州门多塔湖（Lake Mendota）的“轮回故事”。细菌的“土拨鼠之年”门多塔湖是一座海水湖。这里四序明显，冬季湖面长满藻类，夏季则会结冰。从前 20 年间，一群迷信家在这里收罗了 471 个水样。此次，他们剖析了这些样品中的微生物基因组，终极构建了迄今时光跨度最长的、来自天然情况的宏基因组（metagenome，即情况中全部的遗传物资序列）数据集。剖析完这些数据后，研讨职员发明了一个惊人的景象：湖中的细菌居然呈现了一种节令性轮回形式。从春天到冬天，它们的基因组一直产生变更，但到来年春天，所有又回到了原点。就如许年复一年，好像被困在了时光轮回里。或者你会感到，这不就是天然界的四序循环吗？人类一年四序衣着差别，到了新一年又重头来过，细菌的变更岂非不也一样吗？但这里的要害在于时光标准：细菌滋生速率极快，一年时光里曾经历上千代更迭。因而，这种轮回并非集体阅历的周期，而是全部族群活着代的演变中重复演出雷同的形式。换句话说，这就像是你跟你的曾曾曾曾曾曾祖辈长得截然不同，而你的曾曾曾曾曾曾孙又长回了你的样子容貌，并如斯循环往复始终下去。“被困在统一年里”的细菌（图片起源：原论文）更令人惊奇的是，这种景象不只仅呈现在一般细菌身上，而是普遍存在。研讨职员一共剖析了 2855 种细菌，成果发明此中 80% 都浮现出相似的节令性基因组变更。该研讨的第一作者、美国得克萨斯年夜学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的博士后研讨员罗宾·罗韦尔（Robin Rohwer）表现：“对如斯年夜比例的细菌群落都市阅历如许的变更，我觉得非常惊奇。我原来认为只会察看到多少个差别平常的例子，成果居然发明了成千盈百个。”那么，为什么细菌群落会浮现如许的节令性轮回呢？研讨职员揣测，这可能与门多塔湖明显的四序变更有关。即便是统一种细菌，差别集体也可能在差别节令盘踞上风：某些菌株可能在冬季更具顺应性，而另一些菌株则可能在夏季表示得更好。跟着节令更替，菌群的主导成员一直瓜代，从而构成了一种静态的形式。逾越台阶除了这种节令性的轮回变更，研讨职员还在湖中 20% 的细菌物种中发明了临时的基因组变更，但这些变更趋向每每会与节令性形式彼此叠加。并且，差别菌种的临时变更形式各不雷同，有些在多少十年间逐步演化，有些则像“逾越台阶”一样产生忽然的变更，而另一些则在短期变更后又敏捷规复原状。在这些变更形式中，“逾越台阶式”的渐变最为罕见，并且比其余两种形式多得多。比方，2012 年，门多塔湖的很多细菌就阅历了一次基因组的激烈变更，尤其是与无机氮代谢相干的基因。至于为什么这些细菌的基因组会忽然产生变更，迷信家提出了一些可能的说明。起因之一可能是极其气象。2012 年，门多塔湖阅历了异样暖和枯燥的气象，使湖中藻类数目锐减，而藻类恰是细菌获取无机氮的主要起源。缺少这一要害养分起源，可能促使细菌群削发生了顺应性变更。别的，物种入侵也可能是起因之一。2009 年，门多塔湖迎来了一位“不请自来”——长柱尾突蚤（Bythotrephes cederstroemi），这是一种入侵性浮游植物，它们的滋生可能招致了水体缺氧。因为物种入侵的滞后效应，它们可能在 3 年之后才转变水体中细菌群落的构成。只管研讨职员只深刻剖析了此中一种细菌的渐变进程，但他们揣测，其余微生物可能也阅历了相似的顺应性变更。差别细菌基因组有差别的变更形式（图片起源：原论文）从前，迷信家很少在如斯长的时光标准上追踪微生物群落的变更。他们平日存眷的是特准时刻的样本，因而微生物群落的临时演变趋向每每会被短期的节令性稳定所掩饰。而这项研讨经由过程研讨持续 20 年的数据，提醒了这些被疏忽的深层演变形式。更主要的是，这项研讨转变了咱们对微生物随时光产生演变的懂得。从前，人们每每会以为演变是一股一直向前推动的力气。但这项研讨标明，演变并不老是线性行进的，它偶然也会沿着特定轨迹轮回来去，好像时光在微生物天下中划出了一个个“循环”。这项研讨还激发了一个回味无穷的成绩：微生物群落的静态变更，毕竟是一种生态景象，仍是一个演变进程？传统上，生态学研讨存眷的是差别物种之间的彼此感化，而演变研讨则存眷物种外部的基因变更。但是，在微生物天下里，物种的界线本就含混不清，生态跟演变之间的分界限也因而难以厘清。比方，迷信家从前平日将种群竞争跟生态位分化视为典范的生态学景象，但假如研讨是基于基因组数据揣摸出的变更，那么如许的研讨能否应纳入演变？再比方，无机氮代谢基因的正向抉择个别被以为是演变进程，可假如这一变更影响的是表型差别的菌株间的生态改变，那它毕竟属于生态仍是演变？更进一步，假如生态跟演变产生在雷同的时光标准上，遭到类似的情况压力驱动，而微生物物种的界线又如斯含混，那么咱们能否须要从新思考演变与生态的传统界线？生态跟演变，或者本就是统一个故事的差别章节。而迷信家将来的研讨将帮咱们更深刻地舆解性命的过程。参考材料[1]https://www.nature.com/articles/s41564-024-01888-3[2]https://phys.org/news/2025-01-lake-bacteria-evolve-clockwork-seasons.html谋划制造起源丨举世迷信（ID：huanqiuekexue）作者丨黄雨佳责编丨王梦如审校丨徐来 林林