最近微信改版，容易找不到尹哥的文章，大家記得把尹哥設為星標⭐️ 哦~
△ 門多塔湖（來源：Michael Barera, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons）
每年的2月2日，北美地區都會迎來傳統節日——土撥鼠日（Groundhog Day）。人們透過觀察土撥鼠是否看到自己的影子，來預測春天何時到來。而在電影《土撥鼠之日》中，男主角菲爾·康納斯（Phil Connors）陷入了時間迴圈，無論如何努力，每天醒來都會回到這一天。
這種“鬼打牆”般的經歷聽起來像是電影中的荒誕設定，然而，大自然中其實也有類似的現象，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》（Nature Microbiology）上發表了一項研究，講述了這樣一個發生在美國威斯康星州門多塔湖（Lake Mendota）的“迴圈故事”。
01
細菌的“土撥鼠之年”
門多塔湖是一座淡水湖。這裡四季分明，夏季湖面長滿藻類，冬季則會結冰。過去20年間，一群科學家在這裡採集了471個水樣。這次，他們分析了這些樣品中的微生物基因組，最終構建了迄今時間跨度最長的、來自自然環境的宏基因組（metagenome，即環境中所有的遺傳物質序列）資料集。
分析完這些資料後，研究人員發現了一個驚人的現象：湖中的細菌竟然出現了一種季節性迴圈模式。從春天到冬天，它們的基因組不斷發生變化，但到來年春天，一切又回到了原點。就這樣年復一年，彷彿被困在了時間迴圈裡。
或許你會覺得，這不就是自然界的四季輪迴嗎？人類一年四季穿著不同，到了新一年又重頭來過，細菌的變化難道不也一樣嗎？但這裡的關鍵在於時間尺度：細菌繁殖速度極快，一年時間裡已經歷上千代更迭。因此，這種迴圈並非個體經歷的週期，而是整個族群在世代的演化中反覆上演相同的模式。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，並如此週而復始一直下去。
△ “被困在同一年裡”的細菌（來源：原論文）
更令人驚訝的是，這種現象不僅僅出現在個別細菌身上，而是廣泛存在。研究人員一共分析了2855種細菌，結果發現其中80%都呈現出類似的季節性基因組變化。該研究的第一作者、美國得克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的博士後研究員羅賓·羅韋爾（Robin Rohwer）表示：“對於如此大比例的細菌群落都會經歷這樣的變化，我感到十分驚訝。我本來以為只會觀察到幾個不同尋常的例子，結果竟然發現了成百上千個。”
那麼，為什麼細菌群落會呈現這樣的季節性迴圈呢？研究人員推測，這可能與門多塔湖分明的四季變化有關。即使是同一種細菌，不同個體也可能在不同季節佔據優勢：某些菌株可能在夏季更具適應性，而另一些菌株則可能在冬季表現得更好。隨著季節更替，菌群的主導成員不斷交替，從而形成了一種動態的模式。
02
跨越臺階
除了這種季節性的迴圈變化，研究人員還在湖中20%的細菌物種中發現了長期的基因組變化，但這些變化趨勢往往會與季節性模式相互疊加。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”一樣發生突然的變化，而另一些則在短期變化後又迅速恢復原狀。
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，門多塔湖的許多細菌就經歷了一次基因組的劇烈變化，尤其是與有機氮代謝相關的基因。
至於為什麼這些細菌的基因組會突然發生變化，科學家提出了一些可能的解釋。原因之一可能是極端天氣。2012年，門多塔湖經歷了異常溫暖乾燥的天氣，使湖中藻類數量銳減，而藻類正是細菌獲取有機氮的重要來源。缺乏這一關鍵營養來源，可能促使細菌群落髮生了適應性變化。
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物，它們的繁殖可能導致了水體缺氧。由於物種入侵的滯後效應，它們可能在3年之後才改變水體中細菌群落的組成。儘管研究人員只深入分析了其中一種細菌的突變過程，但他們推測，其他微生物可能也經歷了類似的適應性變化。
△ 不同細菌基因組有不同的變化模式（來源：原論文）
過去，科學家很少在如此長的時間尺度上追蹤微生物群落的變化。他們通常關注的是特定時刻的樣本，因此微生物群落的長期演化趨勢往往會被短期的季節性波動所掩蓋。而這項研究透過研究連續20年的資料，揭示了這些被忽視的深層演化模式。
更重要的是，這項研究改變了我們對微生物隨時間發生演化的理解。過去，人們往往會認為演化是一股不斷向前推進的力量。但這項研究表明，演化並不總是線性前進的，它有時也會沿著特定軌跡迴圈往復，彷彿時間在微生物世界中劃出了一個個“輪迴”。
這項研究還引發了一個耐人尋味的問題：微生物群落的動態變化，究竟是一種生態現象，還是一個演化過程？傳統上，生態學研究關注的是不同物種之間的相互作用，而演化研究則關注物種內部的基因變化。然而，在微生物世界裡，物種的界限本就模糊不清，生態和演化之間的分界線也因此難以釐清。
例如，科學家過去通常將種群競爭和生態位分化視為典型的生態學現象，但如果研究是基於基因組資料推斷出的變化，那麼這樣的研究是否應歸入演化？再比如，有機氮代謝基因的正向選擇一般被認為是演化過程，可如果這一變化影響的是表型不同的菌株間的生態轉變，那它究竟屬於生態還是演化？更進一步，如果生態和演化發生在相同的時間尺度上，受到相似的環境壓力驅動，而微生物物種的界限又如此模糊，那麼我們是否需要重新思考演化與生態的傳統界限？
生態和演化，或許本就是同一個故事的不同章節。而科學家未來的研究將幫我們更深入地理解生命的歷程。
文章來源：“環球科學” （id：huanqiukexue）｜撰文：黃雨佳｜審校：clefable
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
— END —