Морские вирусы меняют систему Земли: исследование
Морские вирусы, почти не изученные до последнего десятилетия, по численности намного превосходят любые другие биологические объекты на планете. Ученые только начинают открывать невидимые частицы, которые являются движущими силами земной системы, меняя динамику в пищевых сетях, рыболовстве и даже климате.
В лаборатории Мэтью Салливана в Университете Аризоны культивируют вирусы, используя в качестве хозяев микроскопические водоросли. Лаборатория получила грант в размере $1.6 млн от Фонда Гордона и Бетти Мур для разработки новых подходов в вирусной экологии, чтобы глубже исследовать структуру и деятельность сообществ морских вирусов и их связь с микробными хозяевами.
"Морские вирусы — это неотъемлемые движущие силы системы Земли", — говорит Салливан. Пищевые сети на Земле питаются микробами, и значительную часть этого обеспечивают микробы океана.
В среднем капля морской воды содержит около 10 миллионов вирусов — в 10 раз больше, чем микробов. Эти вирусы не вызывают грипп, а заражают океанические микробы, изменяя их влияние на экосистемы.
Вирусы убивают морские микробы
Вирусы интересны настолько, насколько интересны их микробные хозяева, которые управляют глобальными биогеохимическими циклами углерода, азота, серы и кислорода.
"Мы узнаем, что огромное количество морских вирусов находится в самом сердце всего этого", — говорит Салливан. Они действуют как движущая эволюционная сила: убивают клетки-хозяева, переносят гены новым хозяевам, модулируют метаболизм хозяев во время заражения.
По оценкам ученых, до 50% популяции морских микробов ежедневно погибает от вирусов. Убивая такое огромное количество микробов, вирусы, вероятно, удерживают много энергии и углерода от перехода на более высокие уровни пищевых сетей.
Около 50% углерода в системе Земли поступает из океана. Без работы невидимых организмов, населяющих океанские воды и морское дно, наша планета не могла бы существовать.
"Почти везде, куда ни посмотри, на каждого микроба приходится около 10 вирусов", — говорит Салливан. В лаборатории можно культивировать только около 1% микробов, что означает, что о 99% мы почти ничего не знаем.
Методы исследования
Основная проблема изучения вирусов — их крошечный размер. Одна одноклеточная водоросль может вмещать до нескольких сотен вирусных частиц.
"Наше исследование сейчас находится в фазе открытий", — говорит Салливан. Разработка новых методов сбора и идентификации вирусов составляет огромную часть работы.
Работая в океане Biosphere 2, сотрудники Салливана обнаружили, что, просто добавляя хлорид железа (FeCl3) к образцу морской воды, они могут уловить 95% вирусов в свои контейнеры для сбора.
Большая часть кислорода, которым мы дышим, выделяется в атмосферу Земли двумя видами микробов: цианобактериями Prochlorococcus и Synechococcus. Лаборатория Салливана особенно заинтересована в их изучении и вирусах, которые их заражают.
Вирусы снабжают хозяев генами
В предыдущих исследованиях Салливан обнаружил неожиданное: вирусы, заражающие эти микробы, имеют гены, необходимые для построения важной части фотосинтетического аппарата, который микробы используют для производства кислорода.
"Когда вирус заражает клетку, он отключает способность хозяина что-либо делать", — объясняет Салливан. Он берет на себя биохимический аппарат и заставляет хозяина производить больше вирусов.
Во время фотосинтеза один из основных белков этого аппарата изнашивается так сильно, что его нужно заменять примерно каждые 30 минут.
"У вируса есть чертеж этого белка, потому что ему нужно будет заменить его, как только он возьмет под контроль клетку", — говорит Салливан. Таким образом, вирусы напрямую влияют на фотосинтетическую способность своих хозяев, помимо того, что убивают их и меняют их экологию и эволюционную траекторию.
"Это, возможно, лишь верхушка айсберга. Это просто та система океанических вирусов, которая была изучена сколько-нибудь подробно".
Морские вирусы добавляют совершенно новое измерение в эволюцию: вирус может захватить генетический материал у одного хозяина, который оказывается полезным, и передать его другому микробу во время следующего цикла заражения.
"Похоже, это хороший способ ускорить молекулярную эволюцию", — говорит Салливан. Виды-хозяева могут даже использовать эти вирусы, чтобы продвинуться вперед, опробовать новые способы эволюционировать быстрее.
Как дышит океан
Исследование Салливана направлено на получение знаний, применимых для лучшего понимания и прогнозирования морских экосистем и рыболовства. Ученые сосредотачиваются на вирусах из сред, о которых уже много информации.
Например, его команда взяла образцы вирусов из так называемой "зоны кислородного минимума" в субарктической части Тихого океана, где обширные участки океана содержат мало или совсем не содержат кислорода на глубинах от примерно 500 метров до 2000 метров.
"Эта зона имеет огромное значение для рыболовства", — говорит Салливан, поэтому ученые изучали ее последние 50 лет, чтобы выяснить, как дышит океан.
Интересно, что одна группа морских микробов, названная Marine Group A, которая встречается по всему земному шару, но в крайне малых количествах, по-видимому, процветает в обедненных кислородом водах этой зоны, где ее находят в значительных количествах.
"Мы ничего о них не знаем", — говорит Салливан. "Мы знаем о ее существовании по генетическому "отпечатку", но не можем культивировать, поэтому понятия не имеем, что она делает".
"Зоны кислородного минимума в открытом океане — это области, где микробы производят парниковые газы, такие как метан (CH4) и закись азота (N2O). Эти зоны могут быть плохой вещью, когда они расширяются, поэтому нам нужно понимать, почему они образуются и как влияют на морские пищевые сети".
"Все это очень исследовательская работа", — говорит он. "Мы можем заниматься такой наукой благодаря выдающимся возможностям UA в области высокопроизводительной геномики, протеомики и биоинформатики. Если вы хотите изучать сложные биологические взаимодействия на уровне экосистем, вам нужна такая инфраструктура".