當馬克吐溫著名說“如果你不喜歡新英格蘭的天氣，只需等幾分鐘，”他可能沒想到麻省理工學院的研究人員會將他的評論應(yīng)用于他們的微生物研究。但是一項新的研究正是如此。

麻省理工學院的一個團隊利用新英格蘭海岸的水樣發(fā)現(xiàn)，盡管沿海環(huán)境條件變化很快，但微生物群落能夠形成。生物群落通常被定義為在某一地區(qū)生活和相互作用的生物群，執(zhí)行重要的生態(tài)功能，例如森林中的所有生物。然而，在海洋中，水不斷移動，使得回答構(gòu)成社區(qū)的問題變得更加困難。

麻省理工學院的研究人員利用新穎的分析技術(shù)表明，相互作用的微生物群落形成但卻是短暫的。它們僅在幾天后達到峰值豐度，隨后被另一個社區(qū)所取代。按照森林類比，想象一周之后回來并找到完全不同種類的植物和動物居住在同一地區(qū)。

這種迅速的轉(zhuǎn)變讓研究人員感到震驚，類似于吐溫的話：“好消息可能是，如果你不喜歡微生物群落，只需等待幾天，”他們在論文的結(jié)論中諷刺，發(fā)表于Nature Communications。

“我們對微生物群落 - 海洋中微生物的組合 - 如何隨時間和空間變化的了解相對較少，”麻省理工學院土木與環(huán)境工程(CEE)教授，該論文的相應(yīng)作者Martin Polz說。“人們已經(jīng)走出去，在不同的地方采樣，所以我們開始了解更多關(guān)于全球多樣性的信息，但是當你去某個特定的地方并問：'它是如何隨著時間而變化的?'我們實際上知之甚少。“

為了填補這一空白，Polz和研究團隊在馬薩諸塞州Nahant的Canoe Cove收集了為期三個月的每日海洋水樣。

研究人員，包括Broad研究所的研究生Brian Cleary和麻省理工學院的計算和系統(tǒng)生物學項目;前CEE博士后Antonio Martin-Platero;CEE博士后Kathryn Kauffman;前CEE博士后Sarah Preheim;Eric Alm，土木與環(huán)境工程與生物工程教授;Polz;Woods Hole Oceanographic Institution的Dennis McGillicuddy分析了這些樣本。

在他們的分析中，研究人員考慮了水運動的時間和空間方面，例如來自洋流。該研究是在夏季和秋季之間進行的，與預(yù)期相反，該團隊發(fā)現(xiàn)社區(qū)形成不一定會因季節(jié)性轉(zhuǎn)變而發(fā)生變化，而是遵循每隔幾天的例行程序。但這并不是說季節(jié)性變化不會影響社區(qū)的形成。

“溫度本身就是構(gòu)建社區(qū)的一個重要因素，但僅僅是每個季節(jié)進行一次抽樣以了解本賽季的情況是不夠的，”波爾茲說。“社區(qū)周轉(zhuǎn)速度遠遠快于此，這表明生態(tài)條件正在同樣快速的時間尺度上發(fā)生變化，因為生物體會對物理和化學變化做出反應(yīng)。”

僅僅幾天之后，社區(qū)中大量特定微生物急劇下降，這表明它們可能正在與其他微生物競爭生存資源。這表明，雖然化學和物理學控制著整個社區(qū)的更新，但在社區(qū)內(nèi)，生物相互作用會導致物種豐度的更快速波動。

“我們認為[快速的社區(qū)變化]基本上是由海洋物理學決定的。我們分析了化學和物理數(shù)據(jù)，對于其中一些事件，我們可以確定一個特征性的上升期，當富含營養(yǎng)的深水被輸送到地表并刺激一組微生物，“波爾茲說。“我們還查看了測量溫度和葉綠素的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，我們看到海洋中發(fā)育的特征與這些群落相對應(yīng)。物理學確實設(shè)定了引發(fā)這些群落開花的化學和溫度狀態(tài)，但物理變化可能也是因為水不斷移動，不同的水體混合，形成其他局部特征。“

與Alm及其實驗室合作，研究人員還創(chuàng)建了一種新算法來分析樣本并對基因進行測序，以更全面地了解微生物群落的模式和行為。Cleary解釋說，使用該算法，研究人員根據(jù)微生物在整個時間序列中的波動情況來尋找微生物之間的關(guān)系。

“在一個環(huán)境中有微生物在周圍波動，但我們顯然沒有直接觀察到[微生物]對之間的合作或競爭相互作用，我們并沒有直接觀察到可能與養(yǎng)分狀況相對應(yīng)的低頻變化， “Cleary說。“通過我們的算法，我們可以從不同頻率級別的波動推斷出整個社區(qū)結(jié)構(gòu)。”

研究人員的研究結(jié)果還提供了對該地區(qū)更多永久性生物體作為微生物浮游生物更新所面臨的條件的見解。全面了解海洋中的微生物行為可以為人類健康，漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖提供信息，特別是通過監(jiān)測水質(zhì)。

“這篇論文代表了我們對流體環(huán)境中社區(qū)集會的力量知識的重大進展，并提供了大量新信息，以支持新的假設(shè)驅(qū)動的研究，以支持這種復(fù)雜關(guān)聯(lián)的具體機制，”杰克吉爾伯特說，芝加哥大學微生物中心的教員，沒有參與這項工作。