Древние вирусные геномы, извлеченные из ледников, показывают, как патогены приспособились к изменчивому климату Земли
В то время как человек изменяет климат и экосистемы планеты, ученые обращаются к истории Земли, чтобы предсказать возможные последствия изменения климата. Для этого массивные ледяные структуры, такие как ледники, служат природными морозильными камерами, в которых хранятся подробные записи о климате и экосистемах прошлого, включая вирусы.
Мы — команда микробиологов и палеоклиматологов, которая изучает древние микроорганизмы, включая вирусы, сохранившиеся в ледниковом льду. Вместе с нашими коллегами Лонни Томпсоном, Вирджинией Рич и другими исследователями из группы палеоклиматологии ледниковых кернов Университета штата Огайо мы изучаем взаимодействие между вирусами и окружающей средой в ледниковых кернах из ледника Гулия на Тибетском нагорье.
Связав геномы древних вирусных сообществ с конкретными климатическими условиями, сохранившимися в ледниковом льду, наше недавно опубликованное исследование позволяет понять, как эти вирусы приспосабливались к меняющемуся климату Земли на протяжении последних 41 000 лет.
Чтение истории в вирусных генах
Мы использовали метагеномы — коллекции геномов, отражающие общее генетическое содержание всех микроорганизмов, присутствующих в образцах окружающей среды, — для реконструкции вирусных геномов из девяти различных временных интервалов в ледяном керне Гулии. Эти временные горизонты охватывают три основных цикла перехода от холода к теплу, что дает уникальную возможность проследить, как менялись вирусные сообщества в ответ на различные климатические условия.
В результате проведенного анализа мы восстановили геномы 1705 видов вирусов, что более чем в пятьдесят раз расширило список известных древних вирусов, сохранившихся в ледниках.
Только четвертая часть найденных нами видов вирусов имела сходство на уровне видов с вирусами, идентифицированными в около 1000 метагеномов, ранее собранных в глобальных базах данных. Большинство из этих пересекающихся видов также происходили с Тибетского нагорья. Это позволяет предположить, что по крайней мере некоторые вирусы, сохранившиеся в леднике Гулия, возникли в этом регионе, но это также говорит об относительном отсутствии ледниковых вирусов в имеющихся базах данных.
Используя эти новые эталонные геномы, мы попытались «прочитать» их историю.
Одним из ключевых результатов исследования 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 совпадает с основным переходом от последней ледниковой стадии к голоцену. Это позволяет предположить, что уникальные климатические условия в холодный и теплый периоды оказали значительное влияние на состав вирусных сообществ. Мы предполагаем, что это влияние, скорее всего, связано с тем, что вирусы из других мест заносились сюда меняющимися ветрами и подвергались давлению отбора в результате изменения температуры на леднике.
Копнув глубже, мы выяснили, как вирусы взаимодействуют со своими хозяевами. Для этого мы использовали компьютерные модели, чтобы сравнить геномы вирусов с геномами других микробов, также встречающихся в этой среде. Мы обнаружили, что вирусы постоянно заражают Flavobacterium — род бактерий, обычно встречающихся в ледниковой среде.
Мы также узнали, что вирусы на леднике Гулия должны «красть» гены у своих хозяев, чтобы манипулировать их метаболизмом. В вирусных геномах было закодировано 50 вспомогательных метаболических генов, связанных с обменом веществ, включая синтез и распад витаминов, аминокислот и углеводов. Некоторые из этих генов в изобилии присутствовали во всех девяти изученных временных интервалах, что позволяет предположить, что они помогают микробам-хозяевам справляться с суровыми условиями на поверхности ледников и тем самым повышают пригодность вирусов.
Таким образом, вирусы не только заражают и убивают клетки, но и, вероятно, изменяют приспособленность своих хозяев во время инфекции, в свою очередь влияя на их способность выживать в экстремальных условиях ледниковой среды.
Изменение климата во времени
Полученные нами результаты позволяют по-новому взглянуть на то, как жизнь в виде вирусов реагировала на климатические изменения на протяжении десятков тысяч лет.
Понимание этих древних взаимодействий предоставляет уникальную возможность для будущих исследований как в области вирусологии, так и климатологии. Изучая, как древние вирусы реагировали на изменения климата в прошлом, исследователи могут получить ценные сведения о том, как вирусы адаптируются к текущим глобальным изменениям климата.
Мы считаем, что ледниковый лед, содержащий в каждом слое информацию о микроорганизмах и их экосистемах с течением времени, остается важнейшим ресурсом для разгадки истории климата Земли и жизни, которую он поддерживал, особенно в условиях быстрого уменьшения запасов ледникового льда.
Изучение древних вирусных сообществ также открывает окно в прошлое, позволяя ученым понять, как микромиры эволюционировали в условиях изменяющихся климатов и как эти процессы влияют на современные экосистемы. Ледниковые керны оказываются бесценным архивом, который позволяет заглянуть в эпохи глобальных изменений, недоступные другим методам исследований. Например, анализ древних метагеномов может помочь обнаружить паттерны связанной с климатическими изменениями адаптации, которые могут предсказать будущее поведение вирусов и других микроорганизмов в условиях меняющегося климата Земли.
Дополнительно, результаты нашего исследования подчеркивают важность сохранения ледников, которые служат уникальными естественными архивами данных о климате и биосфере. Быстрое таяние ледников, вызванное глобальным потеплением, угрожает уничтожить эту бесценную информацию, прежде чем мы успеем её полностью изучить. Поэтому исследователи во всем мире акцентируют внимание на необходимости ускоренного изучения и документации ледниковых экосистем, чтобы сохранить столь необходимые данные для будущих поколений.
Мы также надеемся, что наше исследование стимулирует развитие междисциплинарных подходов, объединяющих вирусологов, микробиологов, климатологов и других специалистов для более полного понимания взаимодействий между вирусами и окружающей средой на протяжении времени. Изучая вирусные геномы, мы можем обнаружить ключевые механизмы защиты и адаптации, которые будут полезны для разработки новых биотехнологий и медицинских приложений, особенно в контексте растущих угроз, связанных с изменением климата и новыми патогенами.
Таким образом, наши открытия не только проливают свет на историю взаимодействий вирусов и экосистем в условиях изменяющегося климата, но и подчеркивают важность сохранения природных архивов для будущих научных исследований. Эти знания могут помочь человечеству лучше подготовиться к экологическим вызовам предстоящих десятилетий, развивая более устойчивые и адаптивные системы биоразнообразия.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
