Вирусы распространены повсеместно и часто описываются как наиболее распространенные репликативные образования на Земле.
Несмотря на большое разнообразие геномов, вирусы не являются независимыми "организмами" или репликаторами, поскольку для репликации им необходимо заразить клетку хозяина. Эти отношения между вирусом и хозяином кажутся относительно стабильными в пределах суперцарств, и поэтому их можно классифицировать как архейные, бактериальные (также известные как бактериофаги) и эукариотические вирусы. Однако, ниже этого ранга вирусы могут инфицировать нового хозяина от резервуарного хозяина, будучи способными устойчиво передаваться в этом новом хозяине, процесс, который, вслед за другими, мы определяем как "вирусное распространение".
Действительно, в последние годы многие вирусы, такие как грипп А, Эбола и SARS-CoV-2, распространились на человека и вызвали значительные по масштабам заболевания. Если для этих трех вирусов естественными хозяевами являются нечеловеческие резервуары диких животных, то другие вирусы имеют более широкий круг хозяев, или их резервуар сложнее идентифицировать. Например, известно, что иридовирусы заражают как беспозвоночных, так и позвоночных, а пикорнавирусы встречаются у позвоночных, насекомых, растений и протистов. Такую разнообразную специфичность хозяина трудно оценить, не прибегая к экспертному мнению, а вероятность того, что вирус может перейти от одного вида хозяина к другому, т.е. риск его перехода, трудно оценить количественно.
На риск распространения вируса может влиять множество факторов. Например, вирусные частицы должны прикрепиться к определенным рецепторам на клетке хозяина, чтобы вторгнуться в нее. Сохранение этих рецепторов у разных видов позволяет этим хозяевам быть более предрасположенными к заражению одним и тем же вирусом. Действительно, с эволюционной точки зрения вирусы более склонны заражать хозяев, филогенетически близких к их естественному хозяину, возможно, потому, что им легче заражать и колонизировать генетически сходные виды. Альтернативно, но не исключительно, высокая частота мутаций может объяснить, почему РНК-вирусы распространяются чаще, чем другие вирусы, поскольку у большинства из них отсутствуют механизмы коррекции, что делает их более изменчивыми и способными адаптироваться к новому хозяину. РНК-вирусы не только чаще меняют хозяина, но и могут делать это в новых видах хозяев, имеющих различные экологические ниши.
В этом контексте распространения вирусов особый интерес представляет высокая Арктика, которая особенно сильно страдает от изменения климата и потепление которой происходит быстрее, чем в остальном мире. Действительно, потепление климата и быстрые изменения окружающей среды могут увеличить риск распространения за счет изменения глобального распределения и динамики вирусов, а также их резервуаров и переносчиков, как это было показано для арбовирусов и вируса Хендра. Кроме того, с изменением климата меняется и метаболическая активность микробиосферы Арктики, что в свою очередь влияет на многочисленные экосистемные процессы, такие как появление новых патогенов.
Таким образом, в настоящее время стало критически важным не только более активно предотвращать такие события, но и уметь количественно оценивать риск таких распространений. Интуитивно понятный подход для этого - сосредоточиться на кофилогенетических отношениях между вирусами и их хозяевами. Концептуально, если вирусы и их хозяева коспецифичны, топологии их соответствующих филогенетических деревьев должны быть идентичными (или конгруэнтными). С другой стороны, возникновение распространения может привести к несоответствию филогении вируса и хозяина, поэтому можно предположить, что объединение текущих знаний об ареале хозяина и несоответствии филогении может быть использовано для количественной оценки риска распространения.
Чтобы проверить эту гипотезу в контексте меняющейся среды Высокой Арктики, мы прибегли к комбинации метагеномики и кофилогенетического моделирования, взяв образцы как виросферы, так и спектра ее хозяев, сосредоточившись на эукариотах, на которых вирусные переносы оказывают решающее влияние. Мы сравнили две местные среды, озерные отложения и образцы почвы озера Хазен, чтобы проверить, как на риск распространения вирусов влияет сток ледников и, следовательно, потенциально глобальное потепление, которое, как ожидается, увеличит сток при увеличении таяния ледников на этом конкретном озере. Мы показали, что риск распространения вирусов увеличивается с потеплением климата только в осадках озера, и предложили возможные механизмы, объясняющие эти различия.
По результатам исследования мы показали, что риск распространения вирусов увеличивается с увеличением стока от таяния ледников, что является косвенным показателем изменения климата. Если изменение климата также приведет к смещению видового ареала потенциальных вирусных переносчиков и резервуаров на север, то высокая Арктика может стать плодородной почвой для зарождающихся пандемий.
Мы также представили здесь новый подход к оценке риска распространения. Это не то же самое, что предсказывать распространение или даже пандемии, во-первых, потому что мы полагаемся на известные ассоциации вирусов и хозяев, а также потому, что пока вирусы и их "переносчики" не присутствуют одновременно в окружающей среде, вероятность драматических событий, вероятно, остается низкой. Но поскольку изменение климата приводит к сдвигам в ареалах и распространении видов, могут возникнуть новые ассоциации, которые принесут с собой переносчиков, способных опосредовать вирусные распространения. Этот двойной эффект изменения климата, одновременно повышающий риск распространения вирусов и ведущий к смещению ареалов видов на север, может иметь драматические последствия в Высокой Арктике. Отделение этого риска от фактического распространения и пандемий станет важной задачей, которую необходимо решать параллельно с надзорными мероприятиями, чтобы смягчить воздействие распространения на экономику и связанные со здоровьем аспекты жизни человека или на другие виды.
