7 Minutės
Virusai dažnai pasirodo antraštėse kaip ligų sukėlėjai, tačiau atviroje jūroje daugelis jų yra gyvybės varikliai. Nauji lauko tyrimai subtropiniame Atlante atskleidžia, kad virusų sukelti ląstelių plyšimai gali spartinti maistinių medžiagų perdirbimą, skatinti fotosintezę ir palaikyti deguonimi prisotintą vandens juostą — taip mikroskopiniai plėšrūnai tampa ekosistemų architektais.
From invisible particles to ecosystem players
Virusai yra labai maži — dažnai tik kelių dešimčių nanometrų skersmens, žymiai mažesni už bakterijas ar net žmogaus plauką — todėl keliasdešimt metų jie liko nepastebėti jūros vandenyje. XX a. pabaigoje elektroninės mikroskopijos pažanga pakeitė šią nuostatą. Kai mokslininkai pradėjo tirti jūros vandenį dideliu didinimu, jie rado ne keletą virusų dalelių, o dešimtis milijonų viename mililitre. Šis atradimas gerokai permąstė mūsų supratimą apie jūrinę mikrobinę ekologiją ir virusų rolę maistinių medžiagų cikluose.
Elektroninio mikroskopo vaizdas, kuriame matyti Prochlorococcus myovirusų pavyzdžiai. A ir D paveikslėliuose matomi skirtingi virusai su uodegomis. B ir C uodega susitraukusi. Juoda mastelio juosta rodo 100 nanometrų ilgį.
Dauguma jūrinių virusų puola mikroorganizmus, kurie sudaro vandenyno maisto grandinės pagrindą: bakterijas ir vienaląsčius dumblius (cianobakterijas). Šie mikrobai generuoja maždaug pusę pasaulinės fotosintezės ir yra kertiniai anglies bei maistinių medžiagų ciklų veikėjai. Buvo suformuluotas tariamas "virusų šuntos" (viral shunt) modelis, paaiškinantis, kaip virusai lizės būdu (lizuodami ląsteles) perskirsto anglies ir maistines medžiagas iš (partikuliarių) ląstelių pavidalo į ištirpintų ir kietųjų organinių medžiagų rezervuarus. Išlaisvinti organiniai junginiai tampa prieinami kitiems mikroorganizmams, taip nukreipdami energiją ir maistines medžiagas per alternatyvias ekologines grandines ir skatinant mikrobinį aktyvumą vietinėse maitinimo grandinėse.
Watching the viral shunt in the wild
Naujesni tyrimai, kuriuos vadovavo Naomi Gilbert ir Daniel Muratore ir kurie buvo atlikti plačioje, deguonimi prisotintoje subtropinio Atlanto juostoje netoli Sargaso jūros, pateikia tiesioginius įrodymus, kad virusų šunta veikia ekosistemos mastu. Tyrime buvo susitelkta į Prochlorococcus — smulkų cianobakterijų gentį, kuri dažnai dominuoja fotosintezėje šiose vandenyse, kurioje koncentracija gali siekti dešimtis tūkstančių ląstelių viename mililitre.
2019 m. Nacionalinės mokslo fondo (NSF) tyrimų ekspedicijos į atvirą Atlanto vandenyną mokslininkai ruošia įrangą vandens mėginiams imti skirtingais gyliais, kad ištirtų jūrinių virusų veiklą.
Komanda naudojo bendruomenės RNR sekoskaitą (RNA sequencing), kad vienu metu inferuotų ir virusų, ir jų mikrobinių šeimininkų metabolinę veiklą — kurios genų išraiška buvo aktyvi ir kokie biocheminiai procesai vyko. Analizė parodė, jog infekcijų rodikliai deguonies prisotintoje juostoje buvo maždaug keturis kartus didesni nei aplinkiniuose vandenyse, kur mikrobų dauginimasis vyko lėčiau. Virusai aktyviai infekavo ir lizavo dideles Prochlorococcus ląstelių apimtis, išlaisvindami organinį anglies ir azoto kiekį į aplinkinį vandenį.
Tarpinė mikrobiologinė grandinė reagavo greitai: heterotrofinės bakterijos imdavo šį išlaisvintą organinį kurą, respiruodamos anglies junginius ir konvertuodamos azotą į amonio (NH4+). Atkurtas azotas, savo ruožtu, tapdavo prieinamu maistiniu elementu Prochlorococcus ir kitiems fototrofiams, skatinant jų atsinaujinančią augimą ir fotosintezės aktyvumą. Trumpai tariant, virusinės infekcijos nebuvo tik destruktyvios; jos veikė kaip maistinių medžiagų perdirbimo variklis, kuris skatina pirminę produkciją ir padeda palaikyti plačias, deguonimi prisotintas vandens juostas, pastebėtas per šimtus mylių.
Implications for carbon, nutrients and climate
Šie lauko duomenys tiesiogiai sieja virusų veiklą su maistinių medžiagų ciklais, pirminėmis produktyvumo grandinėmis ir net deguonies pasiskirstymu atvirojo vandenyno paviršiuje. Virusų šunta gali turėti esminę reikšmę nustatant, ar anglis yra eksportuojama į gilesnius vandenis ar perdirbama ir laikoma paviršiniame sluoksnyje — tai turi pasekmių anglies sekvestracijai ir klimato grįžtamoms ryšiams. Konvertuodami ląstelių biomasę į ištirpintą organinę medžiagą (DOM), virusai gali tiek palaikyti vietines mikrobių maitinimo grandines, tiek keisti anglies nusileidimo į gylį intensyvumą.
Šie procesai turi praktinių pasekmių ir žuvininkystei bei globalaus biogeochemijos ciklams. Fitoplanktono augimas palaiko krilą, smulkią žuvį ir galiausiai didesnes žuvininkystės bei akvakultūros pramonės grandis, kurios kasmet gamina šimtus milijonų tonų jūros produktų. tuo pačiu metu, bet kokie pokyčiai virusų-šeimininkų dinamikose — kuriuos gali lemti vandens temperatūros pakitimai, maistinių medžiagų įsisotinimo pokyčiai ar vandenyno cirkuliacijos pokyčiai — gali perstumdyti maistinių medžiagų paskirstymą ir taip potencialiai pakeisti produktyvumą svarbiuose regionuose.
Techniniai pastebėjimai: virusai dažnai keičia ląstelių medžiagų apykaitą ir gali pernešti horizontaliu keliu genus tarp bakterijų ir cianobakterijų, todėl ilgalaikės pasekmės gali apimti ir mikrobinę bendruomenės struktūrą, ir genetinę įvairovę. Tokie procesai daro įtaką anglies sekvestracijai, nes ląstelių skilimo produktai gali būti labiau arba mažiau linkę sudaryti dalelių, kurios nusileidžia gilyn (partikuliari anglis), arba lieka kaip ištirpintas anglies bazė (DOM), kurį perdirba bendruomenės paviršiuje.
Expert Insight
„Paprastai virusus laikome tik ligų sukėlėjais,“ teigė dr. Maya Benton, fiktyvi jūrų mikrobinės ekologijos ekspertė komentare. „Tačiau vandenyne jie veikia kaip ekosistemos inžinieriai: lizės būdu išlaisvindami ląstelių turinį, jie perskirsto maistines medžiagas ir lemia, kurios mikrobinės grupės dominuos. Tai turi banginį efektą deguonies lygiams, maisto prieinamumui ir anglies srautui. Virusų dinamikos stebėjimas suteikia naują svertą prognozuoti ir suprasti jūrų produktyvumo pokyčius.“
Norint pilnai suprasti virusų poveikį, reikia nukreiptų lauko kampanijų, aukštos raiškos sekoskaitos (genominės ir transkriptominės) duomenų bei tarpdisciplininių analizės metodų, apjungiančių jūros chemiją, mikrobų elgseną ir fizinę cirkuliaciją. Technologijos, tokios kaip automatizuotos mėginių imties rozetės (CTD rosettes), in situ deguonies ir maistinių medžiagų jutikliai, bei RNA sekoskaitos darbo eigos (RNA-seq) leidžia integruoti molekulinius duomenis su ekosistemos masto stebėjimais, taip susiejant molekulinę veiklą su platesniais ekologiniais rezultatais.
Broader context and future prospects
Gilbert–Muratore tyrimas papildo augantį literatūros lauką, kuris demonstruoja virusų centrinę reikšmę ekosistemų funkcijose — nuo mikrobinės įvairovės skatinimo iki anglies kaupimo giliuosiuose vandenyse. Ateities tyrimų užduotis bus išsiaiškinti, kaip aplinkos pokyčiai moduliuoja virusų infekcijų modelius: vandenų šiltėjimas gali pagreitinti mikrobinį metabolizmą ir virusų replikaciją, tačiau pasikeitęs maistinių medžiagų režimas gali palankinti kitokias šeimininkų-virusų sąveikas. Į prognozavimo modelius įtraukiant virusinius procesus bus galima pagerinti produktyvumo, deguonies dinamikos ir anglies eksporto prognozes klimato scenarijuose.
Svarbu pabrėžti keletą praktinių krypčių mokslininkams ir politikos formuotojams: pirmiausia — investuoti į ilgalaikes mikrobinės ekologijos stebėsenos programas, kurios apimtų virusų sekoskaitą ir funkcinę analizę; antra — skatinti atvirus duomenų mainus ir standartizuotas metodikas, kad tyrimų rezultatai būtų palyginami tarptautiniu mastu; trečia — integruoti mikrobinės ir virusinės dinamikos mechanizmus į jūrinius biogeocheminius modelius, siekiant pagerinti klimato ir žuvininkystės valdymo sprendimus.
Be to, diagnostiniai priemonės ir išmanūs jutikliai galėtų leisti „real-time" stebėjimą tam tikrų virusinių grupių koncentracijoms ir aktyvumui, suteikiant žuvininkystės ir aplinkos stebėsenos institucijoms greitesnį atsaką į staigius produktyvumo pokyčius ar eutrofikacijos epizodus, susijusius su virusų protrūkiais.
Conclusion
Jūros virusai nėra vien tik kenksmingi arba nereikšmingi; jie yra kertiniai maistinių medžiagų regeneracijos, pirminės produkcijos ir anglies apykaitos dalyviai. Nauji lauko duomenys iš Sargaso jūros pabrėžia, kad smulkios virusinės sąveikos gali išaugti iki regioninio masto poveikio, formuodamos deguonies pasiskirstymą ir maisto grandines — tai priminimas, kad mažiausi veikėjai dažnai turi nepaliaujamą įtaką Žemės ekosistemų gyvybingumui. Tolesni tyrimai ir integruotas stebėjimas yra būtini, kad suprastume, kaip virusų procesai sąveikauja su klimato kaita, jūrų cirkuliacija ir žuvininkystės tvarumu.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą