每年，威斯康星州一个湖泊中的各种细菌经历快速的进化变化，这似乎是对剧烈季节波动的反应，然后又恢复到原来的状态。
就像比尔·默瑞在《土拨鼠之日》中的经历一样，威斯康星州湖泊中的细菌似乎陷入了一个永恒的循环。然而，这种情况更像是一个土拨鼠年。
最近发表在《自然微生物学》上的一项研究显示，在一年的时间里，门多塔湖中的大多数细菌物种迅速适应和进化，这很可能是由于剧烈的季节变化。各种基因变异的频率在几代之间发生变化，但最终，许多不同的物种又回到了与大约一千代之前的遗传状态极为相似的形态。（由于单个细菌的寿命仅为几天，而不是整个季节，研究人员不得不随着时间分析细菌基因组，以跟踪物种变化。）这种季节性模式年复一年地重复，仿佛进化是一部在开始时重置的电影，反复播放，似乎并没有取得真正的进展。
“我很惊讶地发现细菌群落中有如此显著的一部分经历了这些变化，”德克萨斯州大学奥斯汀分校布雷特·贝克实验室的博士后研究员罗宾·罗赫尔表示。“我本期待发现只有几个有趣的案例，但实际上有数百个。”
罗赫尔最初在威斯康星大学麦迪逊分校的特里娜·麦克马洪实验室进行研究时是一名博士生，后来在德克萨斯大学进行研究。
门多塔湖经历显著的季节变化——冬天结冰，夏天则覆盖着丰富的藻类。在同一种细菌物种中，更好适应特定条件的一些菌株会在给定的季节中胜过其他菌株，而在其他季节中，不同的菌株则占主导地位。
研究人员利用麦克马洪、罗赫尔及其他威斯康星大学麦迪逊分校研究人员在为期二十年的长期监测项目中收集的471个水样。国家科学基金会资助了这个项目。对于每个样本，他们创建了一个宏基因组，将细菌及其他生物留下的DNA片段中的所有基因序列拼接在一起。这一努力形成了自然生态系统中有史以来收集的最长宏基因组时间序列。
贝克表示：“这项研究在我们理解微生物群落随时间演变的方式上是一个完全的游戏改变。这只是这数据可以揭示的关于微生物生态和进化的开始。”
这个档案还发现了持久的遗传修改。
2012年，门多塔湖经历了异常的情况：冰层提早融化，夏季气候比正常情况更热更干燥，河流流入减少，而藻类——对细菌提供有机氮很重要——比平常稀少。罗赫尔和团队发现，许多细菌物种在氮代谢相关的基因上经历了相当大幅度的变化，这可能是由于缺乏藻类所造成的。
罗赫尔表示：“我以为我可能会在几百个细菌中识别出一两个发生长期变化的，但实际上，每五个中就有一个展示出显著的序列变化，这一变化延续多年。我们只能深入研究一个物种，但其他物种也可能经历了显著的遗传改变。”
气候科学家预测，未来几年中西部美国将出现更多极端天气事件，类似于2012年门多塔湖的炎热干燥夏季。
罗赫尔解释道：“气候变化正在逐渐改变季节和平均温度，同时也导致更多突发的严重天气事件。我们并不完全确定微生物将如何响应气候变化，但我们的研究表明，它们将对这些渐进和突发的变化进行进化。”
与德克萨斯大学的另一个著名细菌进化研究，即长期进化实验不同，罗赫尔和贝克的研究重点在于复杂和不断变化的自然条件下的细菌进化。研究人员利用德克萨斯高级计算中心（TACC）的计算能力，从水样中发现的短DNA序列重建细菌基因组。这项工作，如果在笔记本电脑上进行，将需要超过34年，但在TACC只用了几个月，罗赫尔估计涉及30,000多条基因组，来自大约2,800种不同的物种。
罗赫尔表示：“可以将每个物种的基因组看作一本书，每个DNA片段看作一个句子。每个样本都有数百本书，都被切成了句子。要想重组一本书，你需要识别出每个句子属于哪本书，并正确地重新排列它们。”
该研究的其他合著者包括德克萨斯大学的马克·柯克帕特里克；来自德国奥斯特尔基大学和斯德哥尔摩大学的萨拉希·加西亚；以及来自美国能源部联合基因组研究所的马修·凯洛姆。
这项研究与该期刊中一篇配套论文一起发表，后者关注于从相同湖泊样本中获取的病毒的生态和进化。
这项研究的部分资金来自美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、美国能源部科学办公室、美国农业部、西蒙斯基金会，以及E·迈克尔和温诺娜·福斯特-WARF威斯康星想法微生物学研究生奖学金。
