Поскольку люди изменяют климат и экосистемы планеты, ученые обращаются к истории Земли, чтобы предсказать, что может произойти из-за изменения климата. С этой целью массивные ледяные структуры, такие как ледники, служат природными морозильниками, архивируя подробные записи прошлых климатов и экосистем, включая вирусы.
Мы — команда микробиологов и палеоклиматологов , которая изучает древние микроорганизмы, включая вирусы, сохранившиеся во льду ледника. Вместе с нашими коллегами Лонни Томпсоном , Вирджинией Рич и другими исследователями из группы палеоклиматологии ледяных кернов в Университете штата Огайо мы изучаем взаимодействие вирусов и их среды обитания, заархивированное в ледяных кернах ледника Гулия на Тибетском плато .
Связывая геномы древних вирусных сообществ с определенными климатическими условиями, сохранившимися в ледниковом льду, наше недавно опубликованное исследование дает представление о том, как эти вирусы адаптировались к меняющемуся климату Земли за последние 41 000 лет.
Чтение истории в вирусных генах
В первую очередь мы использовали метагеномы — коллекции геномов, которые охватывают общее генетическое содержание всех микроорганизмов, присутствующих в образцах окружающей среды, — чтобы реконструировать вирусные геномы из девяти отдельных временных интервалов в ледяном керне Гулия. Эти временные горизонты охватывают три основных цикла от холода к потеплению, предоставляя уникальную возможность наблюдать, как вирусные сообщества менялись в ответ на различные климатические условия.
В ходе наших анализов мы восстановили геномы эквивалента 1705 видов вирусов , увеличив число известных древних вирусов, сохранившихся в ледниках, более чем в 50 раз.
Только около четверти вирусных видов, которые мы обнаружили, имели общие сходства на уровне видов с любым из вирусов, идентифицированных в почти 1000 метагеномах, ранее зафиксированных в глобальных наборах данных. Большинство из этих перекрывающихся видов также были с Тибетского нагорья.
Это говорит о том, что по крайней мере некоторые вирусы, сохранившиеся в леднике Гулия, возникли в этом регионе, но это также говорит об относительном отсутствии ледниковых вирусов в доступных базах данных.
Используя эти новые референтные геномы, мы попытались «прочитать» их истории.
Одним из ключевых открытий стало то, что вирусные сообщества значительно различались между холодными и теплыми климатическими периодами. Наиболее отчетливое сообщество вирусных видов на леднике появилось около 11 500 лет назад, что совпало с крупным переходом от последней ледниковой стадии к голоцену.
Это говорит о том, что уникальные климатические условия в холодные и теплые периоды оказали глубокое влияние на состав вирусных сообществ. Мы предполагаем, что эти влияния, вероятно, были вызваны вирусами из других мест, занесенными из-за изменения ветров и подверженными давлению отбора из-за изменения температур на леднике.
Копнув глубже, мы затем определили, как вирусы взаимодействуют со своими хозяевами. Для этого мы использовали компьютерные модели для сравнения вирусных геномов с геномами других микробов, также обнаруженных в этой среде. Мы обнаружили, что вирусы последовательно инфицируют Flavobacterium , род бактерий, обычно встречающихся в ледниковых средах.
Мы также узнали, что вирусы на леднике Гулия должны «красть» гены у своих хозяев, чтобы манипулировать их метаболизмом. В вирусных геномах были закодированы 50 вспомогательных метаболических генов, связанных с метаболизмом, включая синтез и расщепление витаминов, аминокислот и углеводов. Некоторые из этих генов были распространены во всех девяти изученных временных интервалах, что позволяет предположить, что они помогают микробным хозяевам справляться с суровыми условиями на поверхности ледника и тем самым улучшают вирусную приспособленность.
Таким образом, вирусы не только заражают и убивают клетки, но и, вероятно, изменяют приспособленность своих хозяев во время заражения, что, в свою очередь, влияет на их способность выживать в экстремальных условиях ледниковой среды.
Изменение климата с течением времени
Наши результаты предлагают новый взгляд на то, как жизнь в форме вирусов реагировала на климатические изменения на протяжении десятков тысяч лет.
Понимание этих древних взаимодействий дает уникальную возможность для будущих исследований как в вирусологии, так и в климатологии. Изучая, как древние вирусы реагировали на прошлые изменения климата, исследователи могут получить ценную информацию о том, как вирусы адаптируются к текущим глобальным изменениям климата.
Мы считаем, что ледниковый лед, сохраняющий информацию о микроорганизмах и их экосистемах с течением времени в каждом слое, остается важнейшим ресурсом для изучения истории климата Земли и жизни, которую он поддерживал, особенно в связи с тем, что запасы ледникового льда стремительно сокращаются.
