门多塔湖(图片来源:Michael Barera,
CC BY-SA 4.0
, via Wikimedia Commons)
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每年的2月2日,北美地区都会迎来传统节日——土拨鼠日(Groundhog Day)。
人们通过观察土拨鼠是否看到自己的影子,来预测春天何时到来。
而在电影《土拨鼠之日》中,男主角菲尔·康纳斯(Phil Connors)陷入了时间循环,无论如何努力,每天醒来都会回到这一天。
这种“鬼打墙”般的经历听起来像是电影中的荒诞设定,然而,
大自然中其实也
有类似的现象,只不过主角不是人类,而是肉眼难
见的微生物
。今年1月,《
自然·微生物学
》(
Nature Microbiology
)上发表了一项研究,讲述了这样一个发生在美国威斯康星州门多塔湖(Lake Mendota)的“循环故事”。
细菌的“土拨鼠之年”
门多塔湖是一座淡水湖。这里四季分明,夏季湖面长满藻类,冬季则会结冰。过去20年间,一群科学家在这里采集了471个水样。这次,他们分析了这些样品中的微生物基因组,最终构建了迄今时间跨度最长的、来自自然环境的宏基因组(metagenome,即环境中所有的遗传物质序列)数据集。
分析完这些数据后,研究人员发现了一个惊人的现象:
湖中的细菌竟然出现了一种季节性循环模式
。从春天到冬天,它们的基因组不断发生变化,但到来年春天,一切又回到了原点。就这样年复一年,仿佛被困在了时间循环里。
或许你会觉得,这不就是自然界的四季轮回吗?人类一年四季穿着不同,到了新一年又重头来过,细菌的变化难道不也一样吗?但这里的关键在于时间尺度:细菌繁殖速度极快,一年时间里已经历上千代更迭。因此,这种循环并非个体经历的周期,而是整个族群在世代的演化中反复上演相同的模式。
换句话说,这就像是你和你的曾曾曾曾曾曾祖辈长得一模一样,而你的曾曾曾曾曾曾孙又长回了你的模样,并如此周而复始一直下去。
“被困在同一年里”的细菌(图片来源:
原论文
)
更令人惊讶的是,
这种现象不仅仅出现在个别细菌身上,而是广泛存在
。研究人员一共分析了2855种细菌,结果发现其中80%都呈现出类似的季节性基因组变化。该研究的第一作者、美国得克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的博士后研究员罗宾·罗韦尔(Robin Rohwer)表示:“对于如此大比例的细菌群落都会经历这样的变化,我感到十分惊讶。我本来以为只会观察到几个不同寻常的例子,结果竟然发现了成百上千个。”
那么,为什么细菌群落会呈现这样的季节性循环呢?研究人员推测,这可能与门多塔湖分明的四季变化有关。即使是同一种细菌,不同个体也可能在不同季节占据优势:
某些菌株可能在夏季更具适应性,而另一些菌株则可能在冬季表现得更好
。随着季节更替,菌群的主导成员不断交替,从而形成了一种动态的模式。
跨越台阶
除了这种季节性的循环变化,
研究人员还在湖中20%的细菌物种中发现了长期的基因组变化
,但这些变化趋势往往会与季节性模式相互叠加。而且,不同菌种的长期变化模式各不相同,有些在几十年间逐渐演变,有些则像“跨越台阶”一样发生突然的变化,而另一些则在短期变化后又迅速恢复原状。
在这些变化模式中,“跨越台阶式”的突变最为常见,而且比其他两种模式多得多。例如,2012年,门多塔湖的许多细菌就经历了一次基因组的剧烈变化,尤其是与有机氮代谢相关的基因。
至于为什么这些细菌的基因组会突然发生变化,科学家提出了一些可能的解释。原因之一可能是
极端天气
。2012年,门多塔湖经历了异常温暖干燥的天气,使湖中藻类数量锐减,而藻类正是细菌获取有机氮的重要来源。缺乏这一关键营养来源,可能促使细菌群落发生了适应性变化。
此外,
物种入侵
也可能是原因之一。2009年,门多塔湖迎来了一位“不速之客”——长柱尾突蚤(
Bythotrephes cederstroemi
),这是一种入侵性浮游动物,它们的繁殖可能导致了水体缺氧。由于物种入侵的滞后效应,它们可能在3年之后才改变水体中细菌群落的组成。尽管研究人员只深入分析了其中一种细菌的突变过程,但他们推测,其他微生物可能也经历了类似的适应性变化。
不同细菌基因组有不同的变化模式(图片来源:
原论文
)
过去,科学家很少在如此长的时间尺度上追踪微生物群落的变化。他们通常关注的是特定时刻的样本,因此
微生物群落的长期演化趋势往往会被短期的季节性波动所掩盖
。而这项研究通过研究连续20年的数据,揭示了这些被忽视的深层演化模式。
更重要的是,这项研究改变了我们对微生物随时间发生演化的理解。过去,人们往往会认为演化是一股不断向前推进的力量。但这项研究表明,
演化并不总是线性前进的,它有时也会沿着特定轨迹循环往复
,仿佛时间在微生物世界中划出了一个个“轮回”。
这项研究还引发了一个耐人寻味的问题:
微生物群落的动态变化,究竟是一种生态现象,还是一个演化过程?
传统上,生态学研究关注的是不同物种之间的相互作用,而演化研究则关注物种内部的基因变化。然而,在微生物世界里,物种的界限本就模糊不清,生态和演化之间的分界线也因此难以厘清。
例如,科学家过去通常将种群竞争和生态位分化视为典型的生态学现象,但如果研究是基于基因组数据推断出的变化,那么这样的研究是否应归入演化?再比如,有机氮代谢基因的正向选择一般被认为是演化过程,可如果这一变化影响的是表型不同的菌株间的生态转变,那它究竟属于生态还是演化?更进一步,如果生态和演化发生在相同的时间尺度上,受到相似的环境压力驱动,而微生物物种的界限又如此模糊,那么
我们是否需要重新思考演化与生态的传统界限?