Гигантские вирусы скрываются в прибрежном иле, изменяя химический состав Земли

Фото из открытых источников

Ученые предполагали, что вирусы в прибрежном иле следуют тем же закономерностям, что и вирусы в открытом океане — те же типы, то же поведение. Приливно-отливные илистые отмели не были широко изучены для проверки этого предположения, и то, что там обитает с точки зрения вирусов, остается в значительной степени неизвестным.

Новые исследования прибрежных отложений Китая усложняют эту картину. В иле обнаружены гигантские вирусы гораздо большего разнообразия, чем ожидалось, включая, по меньшей мере, одну линию, новую для науки и, возможно, связанную с хозяевами, которых никто ранее не рассматривал. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Эти вирусы также оставались в значительной степени неизученными. Поэтому группа под руководством Цичао Ту, микробиолога-эколога из Института морских наук и технологий Шаньдунского университета  SDU), отправилась на поиски в прибрежные отложения.

Они взяли около 200 образцов ила с приливных илистых отмелей вдоль китайского побережья и обработали более пяти терабайт генетических данных. В результате было получено 237 крупных вирусных геномов — больше, чем команда когда-либо получала ранее.

Это не мельчайшие частицы, вызывающие простуду. Самые крупные геномы здесь насчитывали сотни тысяч букв ДНК, а у родственников в других местах их миллионы — что сопоставимо с генетическим материалом живых клеток.

237 геномов разделились на две группы. Примерно две трети составляли гигантские вирусы, поражающие одноклеточные организмы в иле, такие как водоросли и амебы. Они ведут себя практически не так, как вирусы, вызывающие заболевания у людей.

Остальные были гигантскими фагами — увеличенными родственниками вирусов, которые охотятся на бактерии. Они несут гораздо больший генетический багаж, чем обычные фаги, включая десятки генов, которые помогают им самовоспроизводиться с меньшей помощью со стороны хозяина.

Эти различные цели определяют другие пищевые взаимоотношения. Гигантские вирусы поражают водоросли и одноклеточные организмы-потребители в основании пищевой цепи. Когда поражаются эти организмы, эффект распространяется на целые сообщества.

Сортировка гигантских вирусов по их родословным деревьям выявила нечто неожиданное. Восемь из них образовали тесную группу, не соответствующую ни одному известному семейству. Они оказались в своей собственной ветви.

Эта ветвь относится к порядку Imitervirales , широкой группе гигантских вирусов, которые в основном поражают водоросли и другие мелкие дрейфующие организмы. Она выглядела достаточно своеобразной, чтобы команда исследователей могла предположить, что это совершенно новое семейство, ранее не описанное.

Ещё более странным было то, с кем он общался. Семь из восьми вирусов были тесно связаны с членистоногими — группой животных, в которую входят насекомые, крабы и креветки. Это указывает на возможную связь между гигантскими вирусами и животными, а не просто микробами в иле.

Статистическая связь не является доказательством заражения. Тем не менее, неустановленная ветвь, связанная с животным миром, предполагает, что в каталоге гигантских вирусов отсутствуют целые разделы, даже в грязи, которая находится прямо под нашими ногами.

Илистые отмели — это неспокойные места. Дважды в день прилив и отлив сменяют друг друга, меняя состав осадочных пород от богатого кислородом до бедного им, и заставляя все живые организмы справляться с постоянными резкими колебаниями уровня воды.

Более ранние исследования той же лаборатории показали, что более широкое сообщество вирусов в этих квартирах быстро обновляется по мере изменения условий. На фоне этих изменений один гигантский фаг действовал наоборот и сохранил свои позиции.

Один и тот же вирус — с полным геномом, насчитывающим почти 229 000 букв — был обнаружен во всех образцах из Циндао, портового города на востоке Китая. Несмотря на то, что образцы были взяты в разные сезоны и на разной глубине, каждая копия генома была идентична более чем на 99,9%. Для вируса это удивительно стабильный результат.

Сопоставление вирусов с окружающими их организмами выявило четкую закономерность. Грибы и одноклеточные организмы, питающиеся растительной пищей, показали наиболее сильную связь с гигантскими вирусами, за ними следовали водоросли, а животные находились значительно дальше.

Связь с грибами вызвала удивление. Некоторые из этих грибов ранее не считались хозяевами гигантских вирусов, а предыдущее исследование морских гигантских вирусов в значительной степени сформировало известный список хозяев из водорослей и амеб.

В рамках всего набора данных случайность сыграла большую роль, чем химические процессы, в определении того, какие вирусы где обитают – это была чистая удача, позволившая им занестись и закрепиться.

Эта случайность ослабевала там, где было много носителей, связывая судьбу вирусов с организмами, которыми они питаются.

Многие из них также несут гены, которые могут выполнять метаболические функции внутри клеток, в которые они проникают. Команда выявила сотни генов, связанных со строительными блоками ДНК, аминокислотами и сахарами — инструментами, которые вирус может использовать после захвата хозяина.

Гигантские вирусы и гигантские фаги имели схожий набор генов, но выполняли разные функции. Гигантские вирусы были ориентированы на пути круговорота углерода и переработки азота — химические процессы, перемещающие элементы в прибрежных экосистемах.

Остается неподтвержденным, активируются ли эти гены во время инфекции, но их присутствие предполагает их роль в процессе переработки углерода и азота организмами-хозяевами. Химический состав окружающей среды также будет зависеть от того, как организмы-хозяева перерабатывают эти питательные вещества. Другие исследования связывают гигантские океанические вирусы с теми же круговоротами питательных веществ.

Главный вывод заключается в более полном учете жизни в среде обитания, которую большинство исследований обходят стороной. В прибрежном иле обитает процветающая популяция гигантских вирусов, включая новую для науки ветвь, и они связаны с неожиданными хозяевами.

Возможно, стоит также пересмотреть подход к изучению химии прибрежных зон. Эти вирусы несут гены, отвечающие за метаболизм углерода и азота, поэтому в моделях круговорота этих элементов в береговой линии, возможно, потребуется учитывать воздействие вирусов на своих хозяев.

Имея в распоряжении сотни новых геномов, исследователи теперь могут заняться более сложными вопросами о том, каких именно хозяев действительно заражают эти вирусы и насколько сильно они влияют на химический состав илистой прибрежной зоны. Земля, которая казалась мертвой, гораздо активнее, чем кажется.