Sein Urururururenkel ist nachgewachsen und sieht jetzt so aus wie er? Die Lebewesen in diesem See wurden im selben Jahr gefangen

Jedes Jahr am 2. Februar feiert Nordamerika den traditionellen Feiertag – den Murmeltiertag. Menschen sagen den Frühlingsbeginn voraus, indem sie beobachten, ob Murmeltiere ihren Schatten sehen können. Im Film „Und täglich grüßt das Murmeltier“ ist der Protagonist Phil Connors in einer Zeitschleife gefangen. Egal, wie sehr er es versucht, er wacht jeden Tag in diesem Tag auf.

Dieses Erlebnis, das an eine „Geisterwand“ erinnert, klingt wie eine absurde Kulisse aus einem Film. Allerdings gibt es in der Natur tatsächlich ähnliche Phänomene. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Protagonisten keine Menschen sind, sondern Mikroorganismen, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind. Eine im Januar dieses Jahres in Nature Microbiology veröffentlichte Studie berichtete von einer solchen „Kreislaufgeschichte“, die sich im Lake Mendota im US-Bundesstaat Wisconsin zugetragen hatte.

Das Murmeltierjahr der Bakterien

Lake Mendota ist ein Süßwassersee. Die vier Jahreszeiten sind hier deutlich ausgeprägt. Der See ist im Sommer mit Algen bedeckt und gefriert im Winter. In den letzten 20 Jahren hat eine Gruppe von Wissenschaftlern hier 471 Wasserproben gesammelt. Dieses Mal analysierten sie die mikrobiellen Genome in diesen Proben und erstellten schließlich den bis dahin längsten Metagenom-Datensatz (alle Sequenzen genetischen Materials in der Umwelt) aus der natürlichen Umwelt.

Nach der Analyse der Daten entdeckten die Forscher ein überraschendes Phänomen: Die Bakterien im See zeigten tatsächlich ein saisonales Zyklusmuster. Von Frühling bis Winter verändern sich ihre Genome weiter, aber im nächsten Frühling ist alles wieder am Anfang. Dies geht Jahr für Jahr so ​​weiter, als wäre man in einer Zeitschleife gefangen.

Vielleicht denken Sie: Ist das nicht einfach der Zyklus der vier Jahreszeiten in der Natur? Die Menschen tragen das ganze Jahr über unterschiedliche Kleidung und beginnen im neuen Jahr wieder von vorne. Ist das bei Bakterien nicht dasselbe? Entscheidend ist jedoch der Zeitrahmen: Bakterien vermehren sich extrem schnell und in einem einzigen Jahr können Tausende von Generationen vergehen.

Es handelt sich also nicht um einen Zyklus, den einzelne Individuen durchlaufen, sondern es wiederholt sich vielmehr das gleiche Muster immer wieder in der Evolution der gesamten Bevölkerung von Generation zu Generation. Mit anderen Worten, es ist, als ob Sie genauso aussehen wie Ihre Urururururgroßeltern und als ob Ihre Urururururenkel genauso aussehen wie Sie und so weiter und so fort.

Bakterien „im selben Jahr gefangen“ (Bildquelle: Originalarbeit)

Noch überraschender ist, dass dieses Phänomen nicht nur bei einzelnen Bakterien auftritt, sondern weit verbreitet ist. Die Forscher analysierten insgesamt 2.855 Bakterienarten und stellten fest, dass 80 % von ihnen ähnliche saisonale Genomveränderungen zeigten. „Ich war überrascht, dass ein so großer Teil der Bakteriengemeinschaft diese Veränderungen durchmachte“, sagte Robin Rohwer, Postdoktorand an der University of Texas in Austin und Hauptautor der Studie. „Ich hatte erwartet, nur ein paar ungewöhnliche Exemplare zu sehen, aber wir haben Hunderte oder sogar Tausende gefunden.“

Warum also weisen Bakteriengemeinschaften solche saisonalen Zyklen auf? Forscher spekulieren, dass dies mit den vier unterschiedlichen Jahreszeiten im Lake Mendota zusammenhängen könnte. Sogar innerhalb derselben Bakterien können sich in verschiedenen Jahreszeiten unterschiedliche Individuen durchsetzen: Einige Stämme können im Sommer anpassungsfähiger sein, während andere im Winter bessere Leistungen erbringen. Mit dem Wechsel der Jahreszeiten wechseln die dominanten Mitglieder der Bakteriengemeinschaft, wodurch ein dynamisches Muster entsteht.

Überqueren der Treppe

Zusätzlich zu diesem saisonalen Zyklus stellten die Forscher auch bei 20 % der Bakterienarten im See langfristige genomische Veränderungen fest , diese Trends überschnitten sich jedoch häufig mit saisonalen Mustern. Darüber hinaus variieren die langfristigen Veränderungsmuster verschiedener Bakterienarten. Manche entwickeln sich allmählich über Jahrzehnte, manche unterliegen plötzlichen Veränderungen, wie beim „Überspringen einer Stufe“, und andere kehren nach einer kurzfristigen Veränderung schnell in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

Unter diesen Veränderungsmustern sind „schrittweise“ Mutationen am häufigsten und viel zahlreicher als die beiden anderen Muster. Im Jahr 2012 beispielsweise kam es bei vielen Bakterien im Lake Mendota zu dramatischen Veränderungen im Genom, insbesondere bei Genen, die mit dem organischen Stickstoffstoffwechsel in Zusammenhang stehen.

Für die plötzliche Veränderung des Genoms dieser Bakterien haben Wissenschaftler einige mögliche Erklärungen vorgeschlagen. Ein Grund könnten extreme Wetterbedingungen sein. Im Jahr 2012 herrschte im Lake Mendota ungewöhnlich warmes und trockenes Wetter, was zu einem starken Rückgang der Algenzahl im See führte, die eine wichtige Quelle organischen Stickstoffs für Bakterien darstellt. Der Mangel an dieser wichtigen Nährstoffquelle könnte zu Anpassungsänderungen in Bakteriengemeinschaften geführt haben.

Darüber hinaus kann auch die Invasion neuer Arten einer der Gründe sein.

Im Jahr 2009 wurde der Lake Mendota von einem ungebetenen Gast begrüßt: dem Bythotrephes cederstroemi, einem invasiven Zooplankton, dessen Verbreitung möglicherweise zu Hypoxie im Wasser geführt hat. Aufgrund der verzögerten Auswirkungen der Arteninvasion kann es sein, dass sich die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften in Gewässern erst nach drei Jahren ändert. Obwohl die Forscher den Mutationsprozess nur bei einem der Bakterien eingehend analysierten, spekulieren sie, dass andere Mikroorganismen möglicherweise ähnliche Anpassungsänderungen durchgemacht haben.

Verschiedene Bakteriengenome weisen unterschiedliche Veränderungsmuster auf (Bildquelle: Originalarbeit)

In der Vergangenheit ist es Wissenschaftlern selten gelungen, Veränderungen in mikrobiellen Gemeinschaften über so lange Zeiträume zu verfolgen. Sie konzentrieren sich typischerweise auf Proben, die zu einem bestimmten Zeitpunkt entnommen wurden. Daher werden langfristige Trends in der Evolution mikrobieller Gemeinschaften oft durch kurzfristige saisonale Schwankungen verdeckt. Diese Studie deckte diese übersehenen tiefen evolutionären Muster auf, indem sie 20 Jahre lang kontinuierliche Daten untersuchte.

Noch wichtiger ist, dass diese Forschung unser Verständnis davon verändert, wie sich Mikroben im Laufe der Zeit entwickeln. In der Vergangenheit neigten die Menschen dazu, die Evolution als eine Kraft zu betrachten, die ständig voranschreitet. Doch diese Studie zeigt, dass die Evolution nicht immer linear verläuft. Manchmal verläuft es zyklisch entlang einer bestimmten Bahn , als hätte die Zeit eine Reihe von „Reinkarnationen“ in die mikrobielle Welt gezeichnet.

Diese Studie wirft auch eine interessante Frage auf: Ist die dynamische Veränderung mikrobieller Gemeinschaften ein ökologisches Phänomen oder ein evolutionärer Prozess? Traditionell konzentrierte sich die ökologische Forschung auf die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten, während sich die Evolutionsforschung auf genetische Veränderungen innerhalb von Arten konzentrierte. Allerdings sind die Artengrenzen in der Welt der Mikroben naturgemäß verschwommen und die Trennlinie zwischen Ökologie und Evolution ist daher schwer zu erkennen.

Beispielsweise betrachteten Wissenschaftler früher Populationskonkurrenz und Nischendifferenzierung als typische ökologische Phänomene. Sollte man diese Forschung jedoch als Evolution einstufen, wenn sie auf aus Genomdaten abgeleiteten Veränderungen beruht? Beispielsweise wird die positive Selektion von Genen des organischen Stickstoffstoffwechsels im Allgemeinen als ein Evolutionsprozess betrachtet. Wenn diese Veränderung jedoch den ökologischen Übergang zwischen Stämmen mit unterschiedlichen Phänotypen beeinflusst, gehört sie dann zur Ökologie oder zur Evolution? Wenn Ökologie und Evolution im gleichen Zeitrahmen stattfinden, von ähnlichen Umweltbelastungen getrieben werden und die Grenzen zwischen mikrobiellen Arten so verschwommen sind, müssen wir dann die traditionellen Grenzen zwischen Evolution und Ökologie überdenken?

Ökologie und Evolution sind möglicherweise verschiedene Kapitel derselben Geschichte. Und die zukünftige Forschung der Wissenschaftler wird uns helfen, den Prozess des Lebens besser zu verstehen.

Verweise

[1]https://www.nature.com/articles/s41564-024-01888-3

[2]https://phys.org/news/2025-01-lake-bacteria-evolve-clockwork-seasons.html

Planung und Produktion

Quelle: Global Science (ID: huanqiuekexue)

Autor: Huang Yujia

Herausgeber: Wang Mengru

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin

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