每年的 2 月 2 日，北美地區(qū)都會迎來傳統(tǒng)節(jié)日——土撥鼠日（Groundhog Day）。人們通過觀察土撥鼠是否看到自己的影子，來預(yù)測春天何時(shí)到來。而在電影《土撥鼠之日》中，男主角菲爾·康納斯（Phil Connors）陷入了時(shí)間循環(huán)，無論如何努力，每天醒來都會回到這一天。
這種“鬼打墻”般的經(jīng)歷聽起來像是電影中的荒誕設(shè)定，然而，大自然中其實(shí)也有類似的現(xiàn)象，只不過主角不是人類，而是肉眼難見的微生物。今年 1 月，《自然·微生物學(xué)》（Nature Microbiology）上發(fā)表了一項(xiàng)研究，講述了這樣一個(gè)發(fā)生在美國威斯康星州門多塔湖（Lake Mendota）的“循環(huán)故事”。
細(xì)菌的“土撥鼠之年”
門多塔湖是一座淡水湖。這里四季分明，夏季湖面長滿藻類，冬季則會結(jié)冰。過去 20 年間，一群科學(xué)家在這里采集了 471 個(gè)水樣。這次，他們分析了這些樣品中的微生物基因組，最終構(gòu)建了迄今時(shí)間跨度最長的、來自自然環(huán)境的宏基因組（metagenome，即環(huán)境中所有的遺傳物質(zhì)序列）數(shù)據(jù)集。
分析完這些數(shù)據(jù)后，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的現(xiàn)象：湖中的細(xì)菌竟然出現(xiàn)了一種季節(jié)性循環(huán)模式。從春天到冬天，它們的基因組不斷發(fā)生變化，但到來年春天，一切又回到了原點(diǎn)。就這樣年復(fù)一年，仿佛被困在了時(shí)間循環(huán)里。
或許你會覺得，這不就是自然界的四季輪回嗎？人類一年四季穿著不同，到了新一年又重頭來過，細(xì)菌的變化難道不也一樣嗎？但這里的關(guān)鍵在于時(shí)間尺度：細(xì)菌繁殖速度極快，一年時(shí)間里已經(jīng)歷上千代更迭。
因此，這種循環(huán)并非個(gè)體經(jīng)歷的周期，而是整個(gè)族群在世代的演化中反復(fù)上演相同的模式。換句話說，這就像是你和你的曾曾曾曾曾曾祖輩長得一模一樣，而你的曾曾曾曾曾曾孫又長回了你的模樣，并如此周而復(fù)始一直下去。
“被困在同一年里”的細(xì)菌（圖片來源：原論文）
更令人驚訝的是，這種現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)在個(gè)別細(xì)菌身上，而是廣泛存在。研究人員一共分析了 2855 種細(xì)菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中 80% 都呈現(xiàn)出類似的季節(jié)性基因組變化。該研究的第一作者、美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的博士后研究員羅賓·羅韋爾（Robin Rohwer）表示：“對于如此大比例的細(xì)菌群落都會經(jīng)歷這樣的變化，我感到十分驚訝。我本來以為只會觀察到幾個(gè)不同尋常的例子，結(jié)果竟然發(fā)現(xiàn)了成百上千個(gè)。”
那么，為什么細(xì)菌群落會呈現(xiàn)這樣的季節(jié)性循環(huán)呢？研究人員推測，這可能與門多塔湖分明的四季變化有關(guān)。即使是同一種細(xì)菌，不同個(gè)體也可能在不同季節(jié)占據(jù)優(yōu)勢：某些菌株可能在夏季更具適應(yīng)性，而另一些菌株則可能在冬季表現(xiàn)得更好。隨著季節(jié)更替，菌群的主導(dǎo)成員不斷交替，從而形成了一種動(dòng)態(tài)的模式。
跨越臺階
除了這種季節(jié)性的循環(huán)變化，研究人員還在湖中 20% 的細(xì)菌物種中發(fā)現(xiàn)了長期的基因組變化，但這些變化趨勢往往會與季節(jié)性模式相互疊加。而且，不同菌種的長期變化模式各不相同，有些在幾十年間逐漸演變，有些則像“跨越臺階”一樣發(fā)生突然的變化，而另一些則在短期變化后又迅速恢復(fù)原狀。
在這些變化模式中，“跨越臺階式”的突變最為常見，而且比其他兩種模式多得多。例如，2012 年，門多塔湖的許多細(xì)菌就經(jīng)歷了一次基因組的劇烈變化，尤其是與有機(jī)氮代謝相關(guān)的基因。
至于為什么這些細(xì)菌的基因組會突然發(fā)生變化，科學(xué)家提出了一些可能的解釋。原因之一可能是極端天氣。2012 年，門多塔湖經(jīng)歷了異常溫暖干燥的天氣，使湖中藻類數(shù)量銳減，而藻類正是細(xì)菌獲取有機(jī)氮的重要來源。缺乏這一關(guān)鍵營養(yǎng)來源，可能促使細(xì)菌群落發(fā)生了適應(yīng)性變化。
此外，物種入侵也可能是原因之一。
2009 年，門多塔湖迎來了一位“不速之客”——長柱尾突蚤（Bythotrephes cederstroemi），這是一種入侵性浮游動(dòng)物，它們的繁殖可能導(dǎo)致了水體缺氧。由于物種入侵的滯后效應(yīng)，它們可能在 3 年之后才改變水體中細(xì)菌群落的組成。盡管研究人員只深入分析了其中一種細(xì)菌的突變過程，但他們推測，其他微生物可能也經(jīng)歷了類似的適應(yīng)性變化。
不同細(xì)菌基因組有不同的變化模式（圖片來源：原論文）
過去，科學(xué)家很少在如此長的時(shí)間尺度上追蹤微生物群落的變化。他們通常關(guān)注的是特定時(shí)刻的樣本，因此微生物群落的長期演化趨勢往往會被短期的季節(jié)性波動(dòng)所掩蓋。而這項(xiàng)研究通過研究連續(xù) 20 年的數(shù)據(jù)，揭示了這些被忽視的深層演化模式。
更重要的是，這項(xiàng)研究改變了我們對微生物隨時(shí)間發(fā)生演化的理解。過去，人們往往會認(rèn)為演化是一股不斷向前推進(jìn)的力量。但這項(xiàng)研究表明，演化并不總是線性前進(jìn)的，它有時(shí)也會沿著特定軌跡循環(huán)往復(fù)，仿佛時(shí)間在微生物世界中劃出了一個(gè)個(gè)“輪回”。
這項(xiàng)研究還引發(fā)了一個(gè)耐人尋味的問題：微生物群落的動(dòng)態(tài)變化，究竟是一種生態(tài)現(xiàn)象，還是一個(gè)演化過程？傳統(tǒng)上，生態(tài)學(xué)研究關(guān)注的是不同物種之間的相互作用，而演化研究則關(guān)注物種內(nèi)部的基因變化。然而，在微生物世界里，物種的界限本就模糊不清，生態(tài)和演化之間的分界線也因此難以厘清。
例如，科學(xué)家過去通常將種群競爭和生態(tài)位分化視為典型的生態(tài)學(xué)現(xiàn)象，但如果研究是基于基因組數(shù)據(jù)推斷出的變化，那么這樣的研究是否應(yīng)歸入演化？再比如，有機(jī)氮代謝基因的正向選擇一般被認(rèn)為是演化過程，可如果這一變化影響的是表型不同的菌株間的生態(tài)轉(zhuǎn)變，那它究竟屬于生態(tài)還是演化？更進(jìn)一步，如果生態(tài)和演化發(fā)生在相同的時(shí)間尺度上，受到相似的環(huán)境壓力驅(qū)動(dòng)，而微生物物種的界限又如此模糊，那么我們是否需要重新思考演化與生態(tài)的傳統(tǒng)界限？
生態(tài)和演化，或許本就是同一個(gè)故事的不同章節(jié)。而科學(xué)家未來的研究將幫我們更深入地理解生命的歷程。
參考資料
[1]https://www.nature.com/articles/s41564-024-01888-3
[2]https://phys.org/news/2025-01-lake-bacteria-evolve-clockwork-seasons.html
策劃制作
來源丨環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiuekexue）
作者丨黃雨佳
責(zé)編丨王夢如
審校丨徐來 林林
注：封面圖為版權(quán)圖庫圖片，轉(zhuǎn)載可能引發(fā)版權(quán)糾紛。
【免責(zé)聲明】本文轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，與科技網(wǎng)無關(guān)。科技網(wǎng)站對文中陳述、觀點(diǎn)判斷保持中立，不對所包含內(nèi)容的準(zhǔn)確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請讀者僅作參考，并請自行承擔(dān)全部責(zé)任。