כמו ביל מאריי בסרט "Groundhog Day", מיני חיידקים באגם ויסקונסין נמצאים במעין לולאה אינסופית שהם לא מצליחים לזעזע. חוץ מהמקרה הזה, זה יותר כמו Groundhog Year.
על פי מחקר חדש ב מיקרוביולוגיה של הטבע, חוקרים גילו שבמהלך שנה, רוב מיני החיידקים הבודדים באגם מנדוטה התפתחו במהירות, ככל הנראה בתגובה לשינויים דרמטיים של עונות השנה. וריאנטים של גנים יעלו וירדו במשך דורות, ובכל זאת מאות מינים נפרדים יחזרו, כמעט במלואם, להעתקים קרובים של מה שהם היו מבחינה גנטית לפני אלף ומשהו דורות של לחצים אבולוציוניים. (לחיידקים בודדים יש תוחלת חיים של ימים ספורים בלבד -; לא עונות שלמות -; כך שעבודתם של המדענים כללה השוואת גנומים חיידקיים כדי לבחון שינויים במינים לאורך זמן.) אותו שינוי עונתי התרחש שנה אחר שנה, כאילו האבולוציה הייתה הסרט חזר להתחלה בכל פעם והושמע שוב, לכאורה לא הגיע לשום מקום.
"הופתעתי מכך שחלק כה גדול מקהילת החיידקים עבר סוג זה של שינוי", אמר רובין רוהוור, חוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת טקסס באוסטין במעבדתו של מחבר שותף ברט בייקר. "קיוויתי לראות רק כמה דוגמאות מגניבות, אבל היו ממש מאות".
רוהור הוביל את המחקר, תחילה כדוקטורנט שעבד עם טרינה מקמהן באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון ולאחר מכן ב-UT.
אגם מנדוטה משתנה מאוד מעונה לעונה -; במהלך החורף הוא מכוסה בקרח ובקיץ הוא מכוסה באצות. בתוך אותו מין חיידקי, זנים המותאמים יותר למערכת אחת של תנאים סביבתיים יתחרו על זנים אחרים למשך עונה, בעוד שזנים אחרים יקבלו את ההזדמנות שלהם לזרוח בעונות שונות.
הצוות השתמש בארכיון יחיד במינו של 471 דגימות מים שנאספו במשך 20 שנה מאגם מנדוטה על ידי מקמהן, רוהור וחוקרים אחרים של UW-Madison כחלק מפרויקטי ניטור ארוכי טווח במימון הקרן הלאומית למדע. עבור כל דגימת מים, הם הרכיבו מטאנום, כל הרצפים הגנטיים משברי DNA שהותירו אחריהם חיידקים ואורגניזמים אחרים. זה הביא לסדרת הזמן המטאנום הארוכה ביותר שנאספה אי פעם ממערכת טבעית.
"המחקר הזה הוא מחליף משחק מוחלט בהבנתנו כיצד קהילות מיקרוביאליות משתנות לאורך זמן", אמר בייקר. "זו רק ההתחלה של מה שהנתונים האלה יספרו לנו על אקולוגיה מיקרוביאלית ואבולוציה בטבע."
ארכיון זה חשף גם שינויים גנטיים ארוכי טווח.
בשנת 2012 חווה האגם תנאים חריגים: כיסוי הקרח נמס מוקדם, הקיץ היה חם ויבש מהרגיל, זרימת המים מנהר הניזון לאגם התמעטה ואצות, המהוות מקור חשוב לחנקן אורגני עבור חיידקים, היו נדירים יותר מהרגיל. כפי שגילו רוהור והצוות, רבים מהחיידקים באגם באותה שנה חוו שינוי משמעותי בגנים הקשורים לחילוף החומרים בחנקן, אולי בגלל המחסור באצות.
"חשבתי שמתוך מאות חיידקים אולי אמצא אחד או שניים עם משמרת ארוכת טווח", אמר רוהור. "אבל במקום זאת, ל-1 מכל 5 היו שינויים גדולים ברצף שהתרחשו לאורך שנים. הצלחנו לחפור רק במין אחד, אבל לחלק מהמינים האחרים היו כנראה גם שינויים גדולים בגנים."
מדעני אקלים חוזים אירועי מזג אוויר קיצוניים יותר -; כמו הקיץ החם והיבש שחווה באגם מנדוטה ב-2012 -; עבור המערב התיכון של ארה"ב במהלך השנים הקרובות.
שינויי האקלים משנים לאט את העונות ואת הטמפרטורות הממוצעות, אך גם גורמים לאירועי מזג אוויר פתאומיים וקיצונים יותר. אנחנו לא יודעים בדיוק איך חיידקים יגיבו לשינויי אקלים, אבל המחקר שלנו מצביע על כך שהם יתפתחו בתגובה לשני השינויים ההדרגתיים והפתאומיים הללו".
רובין רוהור, חוקר פוסט-דוקטורט, אוניברסיטת טקסס באוסטין
בניגוד לניסוי מפורסם אחר של אבולוציה חיידקית ב-UT, ניסוי האבולוציה לטווח ארוך, המחקר של Rohwer ובייקר כלל אבולוציה של חיידקים בתנאים מורכבים ומשתנים כל הזמן בטבע. החוקרים השתמשו במשאבי מחשוב-העל במרכז המחשוב המתקדם של טקסס (TACC) כדי לבנות גנום חיידקי מרצפים קצרים של DNA בדגימות המים. אותה עבודה שלקחה כמה חודשים להשלים ב-TACC הייתה לוקחת 34 שנים עם מחשב נייד, העריך Rohwer, הכוללת למעלה מ-30,000 גנומים מכ-2,800 מינים שונים.
"דמיין לעצמך שהגנום של כל מין הוא ספר, וכל שבר דנ"א קטן הוא משפט", אמר רוהור. "בכל דוגמה יש מאות ספרים, כולם חתוכים למשפטים האלה. כדי להרכיב כל ספר מחדש, אתה צריך להבין מאיזה ספר הגיע כל משפט ולחבר אותם בחזרה לפי הסדר".
מחברים שותפים נוספים של המחקר החדש הם מארק קירקפטריק ב-UT; שרה גרסיה מאוניברסיטת קארל פון אוסייצקי באולדנבורג (גרמניה) ואוניברסיטת שטוקהולם; ומתיו קלום מהמכון הגנום המשותף של משרד האנרגיה האמריקאי.
זהו אחד משני מאמרים קשורים המתפרסמים היום בכתב העת; המאמר הנלווה מתמקד באקולוגיה ובאבולוציה של וירוסים מאותן דגימות אגם.
תמיכה למחקר זה ניתנה בחלקה על ידי הקרן הלאומית למדע בארה"ב, מכוני הבריאות הלאומיים של ארה"ב, משרד המדע של משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד החקלאות של ארה"ב, קרן סימונס ו-E. Michael and Winona Foster-WARF מלגת בוגרת רעיון Wisconsin במיקרוביולוגיה.
