Бактерии в озере эволюционируют как по часам с изменением сезонов

Согласно исследованию в Nature Microbiology, большинство видов бактерий в озере Мендота (Висконсин, США) быстро эволюционируют в течение года, реагируя на резкую смену сезонов.

Сезонный цикл эволюции

  • Варианты генов внутри одного вида бактерий поднимались и опускались в популяции на протяжении поколений.
  • Однако после примерно тысячи поколений (учитывая короткую продолжительность жизни микробов) сотни отдельных видов генетически возвращались почти к тому состоянию, в котором были до начала сезонного давления.
  • Этот предсказуемый цикл повторялся год за годом, как будто эволюция возвращалась к началу.

Масштаб явления

«Я была удивлена, что такая большая часть бактериального сообщества претерпевает этот тип изменений», — сказала ведущий автор Робин Ровер. Исследователи наблюдали буквально сотни таких примеров.

Долгосрочные изменения

Исследование также выявило более долгосрочные генетические сдвиги, связанные с экстремальными погодными условиями.

  • В 2012 году в озере сложились необычные условия: раннее таяние льда, жаркое и сухое лето, снижение притока воды и дефицит водорослей.
  • У каждой пятой бактерии из изученных обнаружились значительные изменения в последовательностях генов, растянувшиеся на годы.
  • Многие бактерии испытали серьёзный сдвиг в генах, связанных с метаболизмом азота, возможно, из-за нехватки водорослей.

Методология и значение

  • Учёные использовали уникальный архив из 471 образца воды, собранных за 20 лет мониторинга озера Мендота.
  • Для каждого образца был собран метагеном, что дало самую длинную метагеномную временную серию из естественной системы.
  • «Это исследование полностью меняет наше понимание того, как микробные сообщества меняются со временем», — отметил соавтор Бретт Бейкер.
  • По словам Ровер, микробы, вероятно, будут эволюционировать в ответ как на постепенные изменения климата (сдвиг сезонов), так и на более резкие экстремальные погодные явления.

Техническая сторона

Для реконструкции бактериальных геномов из коротких последовательностей ДНК в образцах воды использовались суперкомпьютерные ресурсы Texas Advanced Computing Center (TACC). Работа, занявшая пару месяцев на суперкомпьютере, на обычном ноутбуке потребовала бы 34 года и включала анализ более 30 000 геномов примерно от 2 800 различных видов.