Морские вирусы: подводные игроки изменения климата

В то время как мир был в значительной степени сосредоточен на обычных факторах глобального изменения климата, таких как ископаемое топливо и вырубка лесов, из глубин океана появилась группа маловероятных соперников — морские вирусы. Эти крохотные, но могущественные существа сейчас привлекают к себе всеобщее внимание, поскольку ученые разгадывают их глубокое влияние на климат нашей планеты.

С армией примерно 10³⁰ вирусные частицы, морские вирусы правят бескрайними просторами океана с их поразительным разнообразием. Их присутствие так или иначе влияет на все водные организмы — будь то бактерии, водоросли, протисты или рыбы. До сих пор не принято решение о том, является ли чистое воздействие морских вирусов на изменение климата положительным или отрицательным. Однако трудно игнорировать растущее количество свидетельств — морские вирусы обладают преобразующей силой, способной изменить саму структуру морской экосистемы, — и их влияние на биогеохимические циклы далеко не незаметно.

Вирусное шунтирование: разгадка углеродного цикла океана

Бактериофаги (или просто фаги) — вирусы, поражающие бактерии — являются доминирующими вирусами в океане. При заражении фаги заставляют своих незадачливых бактериальных хозяев вскрываться посредством процесса, известного как лизис вируса, тем самым высвобождая питательные вещества и органические вещества в окружающую морскую воду. Это явление, известное как вирусное шунтирование, отвлекает микробную биомассу от вторичных потребителей в пищевой сети, таких как планктон и рыба, в пул растворенного органического вещества, которое в основном потребляется гетеротрофными бактериями.

Когда бактерии умирают и подвергаются разложению, их органическое вещество может внести свой вклад либо в пул твердых органических веществ (POM), либо в растворенное органическое вещество (РОВ). POM состоит из сложных структур и не легко разрушается морскими микробами. Следовательно, он часто транспортируется в более глубокие части океана. Однако МОВ легче усваивается микробами, поэтому включается в их биомассу. По мере увеличения микробной биомассы в океане она становится источником пищи для организмов более высоких трофических уровней, включая планктон, который, в свою очередь, служит добычей для рыб.

Но фаги также могут охотиться на этих микробов. Подсчитано, что фаги ежедневно убивают от 10 до 20% гетеротрофных бактерий и от 5 до 10% автотрофных бактерий в океане, что приводит к значительному высвобождению углерода, питательных веществ и других микроэлементов в микробную пищевую сеть. Растворенное органическое вещество, в свою очередь, вызывает бактериальное пиршество, поскольку микробы жадно потребляют новые доступные питательные вещества и углерод, ограничивая их поток через более высокие трофические уровни. Следовательно, вирусный лизис способствует бактериальному дыханию, которое удерживает углерод в океанах, а не выбрасывает его в атмосферу. Таким образом, фаги косвенно помогают улавливать примерно 3 гигатонны углерода в год.

Вирусный лизис: управление круговоротом питательных веществ в морских микробах

Вирусный лизис также играет решающую роль в высвобождении других жизненно важных питательных веществ в микробную пищевую сеть океана, таких как азот и фосфор, которые инкапсулированы в бактериальных клетках в виде нуклеиновых кислот и аминокислот. Эти богатые питательными веществами соединения стимулируют рост и метаболическую активность и служат ценным ресурсом как для гетеротрофных, так и для автотрофных микробов.

Фаги также могут изменять углеродный цикл, изменяя метаболизм цианобактерий, одного из основных игроков в глобальных выбросах CO.₂ фиксация. Например, исследователи обнаружили, что цианофаги, заражающие Synechococcus sp. изменяют фотосинтез хозяина, максимизируя производство энергии, но подавляя CO₂ фиксация. Однако более широкие последствия этого явления на уровне экосистемы остаются загадочными, что представляет собой важнейшую область, созревшую для будущих исследований.

Цветущие кошмары: вирусные дружинники за работой

Морские водоросли играют жизненно важную роль в регулировании уровня углекислого газа в атмосфере благодаря своему мастерству фотосинтеза. Однако в глубине скрываются неприятности, когда появляется множество морских водорослей. Войдите в ужасные цветения водорослей, эти неконтролируемые всплески роста водорослей в водных экосистемах. Эти цветения вызывают каскад пагубных последствий для морских экосистем, начиная от истощения кислорода и нарушения пищевой сети и заканчивая образованием вредных токсинов.

И снова вирусы выходят на первый план. Литические вирусы, которые могут заражать морские водоросли, играют решающую роль в прекращении цветения водорослей и вызывают выброс растворенного органического вещества, что опять-таки способствует росту окружающих гетеротрофных бактерий и ограничивает поток энергии на более высокие трофические уровни.

В результате ученые изучают идею использования вирусов для естественного контроля и удаления цветения водорослей. Эта захватывающая область исследований все еще находится на ранней стадии, и ученые в настоящее время проводят небольшие пилотные исследования, чтобы собрать больше информации и изучить потенциал подхода. Одним из таких примеров является исследование вируса Heterosigma akashiwo (HaV), который показал себя многообещающим в предотвращении повторения токсичных красных приливов, вызванных вредными видами водорослей Heterosigma akashiwo, и в конечном итоге в защите рыболовства. Другое исследование предполагает, что смесь вирусов, выделенных из природного озера, снизила численность токсичной цианобактерии Microcystis aeruginosa в лабораторных культурах на 95% за шесть дней.

Однако ряд проблем ограничивает широкомасштабное применение вирусов (и цианофагов) для борьбы с цветением водорослей. Динамика цветения водорослей в естественных экосистемах сложна, и внедрение вирусных вмешательств в более широком масштабе сопряжено как с логистическими, так и с экологическими проблемами. Еще одной серьезной проблемой является потенциальное развитие микробной устойчивости к вирусам, аналогично тому, как микробы развивают устойчивость к антибиотикам. Некоторые потенциальные обходные пути для преодоления устойчивости включают использование вирусного коктейля вместо одного литического вируса и создание вирусов, специфичных для вызывающих озабоченность водорослей. Несмотря на эти ограничения, использование вирусов для борьбы с цветением водорослей является многообещающим и продолжает оставаться активной областью исследований.

За горизонт

Роль морских вирусов и фагов в глобальном изменении климата все еще раскрывается, и предстоит еще многое узнать. По мере того, как ученые продолжают углубляться в эту захватывающую область, есть несколько будущих шагов, которые сулят огромные надежды.

Прежде всего, необходимы дальнейшие исследования, чтобы раскрыть всю степень вирусного разнообразия в океанах, а также взаимодействия между вирусами и различными микробными сообществами в различных условиях окружающей среды. Недавно ученые сделали замечательное открытие, касающееся существования «гигантских вирусов», обладающих необычайно большими геномами (размером от 300 до 1000 тысяч пар оснований (т.п.н.)) и заражающих океанских хозяев. Что делает эти вирусы еще более интригующими, так это открытие того, что они широко распространены и обладают способностью инфицировать широкий круг эукариотических хозяев. Однако степень влияния гигантских вирусов на морские экосистемы и биогеохимические процессы остается в значительной степени неизученной и требует дальнейшего изучения.

Кроме того, понимание механизмов, лежащих в основе опосредованной вирусами рециркуляции питательных веществ и связывания углерода, может проложить путь к инновационным подходам к смягчению последствий цветения водорослей и повышению эффективности связывания углерода в океанах. Кроме того, интеграция вирусной динамики в океанографические модели поможет уточнить прогнозы реакции экосистем на изменение климата.

С растущим признанием вирусов в качестве влиятельных агентов в океанах дальнейшие исследования роли и взаимодействия морских микроорганизмов, несомненно, будут способствовать нашей способности смягчать экологические проблемы и способствовать здоровью и устойчивости морских экосистем перед лицом меняющегося мира.