Потребление вирусов возвращает энергию в пищевые цепи
#пищевые цепи #хлоровирусы #углеродный цикл #микробные экосистемы
Многие известные вирусы вызывают заболевания, и, следовательно, вирусология долгое время фокусировалась на вирусах как патогенах.
Однако вирусы также влияют на экосистемные процессы, лизируя микробы и вызывая высвобождение питательных веществ и посредством косвенных последствий гибели хозяина. В обоих этих областях исследований вирусы являются главными "хищниками" в пищевых цепях, но, как и большинство хищников, вирусы также могут служить пищей. Многие виды, заглатывающие воду, частицы почвы или листьев, регулярно проглатывают вирусные частицы. Учитывая небольшую массу вирусных частиц по сравнению с другими продуктами питания, считается, что потребление вирусов не имеет пищевого значения и не оказывает достаточного влияния на экосистемные процессы. Тем не менее, вирусы содержат аминокислоты, нуклеиновые кислоты и липиды, и если они потребляются в достаточном количестве, то могут влиять на динамику популяций потребляющих их видов.
В течение последних трех лет эколог Джон ДеЛонг из Университета Небраски был занят изучением явления, способного перевернуть наши представления: вирусные частицы являются источником не только инфекции, но и питания. ДеЛонг и его коллеги обнаружили, что один из видов Halteria - микроскопических планктонных цилиатов, населяющих пресные воды по всему миру, - может поедать огромное количество хлоровирусов, обитающих в их водной среде. Впервые лабораторные эксперименты команды также показали, что поедание вирусов, которую ученые называют "вироворией", достаточна для физиологического роста и даже роста популяции организма.
Известно, что хлоровирусы заражают микроскопические зеленые водоросли и в итоге убивают их, хлопая своих одноклеточных хозяев, как воздушные шарики, выплескивая углерод и другие элементы, поддерживающие жизнь, в открытую воду. Этот углерод, который мог бы пойти на корм хищникам, вместо этого всасывается другими микроорганизмами - это программа рециркуляции в миниатюре и, похоже, она бесконечна. "На самом деле это просто удерживает углерод в этом своеобразном слое микробного супа, не давая хищникам уносить энергию вверх по пищевой цепи", - говорит ДеЛонг. Но если цилиаты обедают теми же вирусами, то вировория может уравновешивать переработку углерода, которую, как известно, обеспечивают вирусы. Возможно, говорит ДеЛонг, что вировория помогает и способствует выходу углерода из низших звеньев пищевой цепи, обеспечивая ему восходящую мобильность, которую в противном случае подавляют вирусы.
"Если перемножить грубую оценку того, сколько вирусов существует, сколько цилиат существует и сколько воды существует, то получится огромное количество движения энергии (вверх по пищевой цепи)", - поясняет ДеЛонг, который подсчитал, что цилиаты в небольшом водоеме могут съедать 10 триллионов вирусов в день.
"Если это происходит в таких масштабах, как мы думаем, то это должно полностью изменить наш взгляд на глобальный круговорот углерода".
ДеЛонг уже был знаком с тем, как хлоровирусы могут участвовать в пищевой сети. В 2016 году он показал, что хлоровирусы получают доступ к водорослям, которые обычно заключены в цилиаты рода Paramecia, только когда крошечные ракообразные поедают Paramecia. Это открытие заставило ДеЛонга "по-другому взглянуть на проблему", когда речь зашла об изучении вирусов. Учитывая огромное количество вирусов и микроорганизмов в воде, он понял, что это неизбежно - первые оказываются внутри вторых. "Казалось очевидным, что все должны постоянно поедать вирусы", - говорит он. "Это должно происходить, ведь в воде их так много".
Поэтому ДеЛонг погрузился в научную литературу, намереваясь найти какие-либо исследования о водных организмах, поедающих вирусы, и, в идеале, о том, что происходит, когда они это делают. Но нашел он очень мало. В одном исследовании, проведенном в 1980-х годах, сообщалось, что одноклеточные протисты способны потреблять вирусы, но дальше этого дело не пошло. Несколько работ из Швейцарии позже показали, что протисты, похоже, удаляют вирусы из сточных вод. "И это было все, - говорит ДеЛонг.
Ничего не было сказано о потенциальных последствиях для самих микроорганизмов, не говоря уже о пищевых сетях или экосистемах, к которым они принадлежат". Это удивило Делонга, который знал, что вирусы построены не только на углероде, но и на других элементарных составляющих жизни. "Они состоят из действительно хороших вещей: нуклеиновых кислот, большого количества азота и фосфора", - сказал он. Все должны хотеть их съесть. Многие существа едят все, до чего могут дотянуться. Наверняка что-то научилось бы есть это действительно хорошую пищу".
Будучи экологом, который проводит большую часть своего времени, используя математику для описания динамики хищник-жертва, ДеЛонг не был полностью уверен в том, как следует доказать свою гипотезу. В конце концов, он решил все упростить. Он поехал к близлежащему пруду и взял образцы воды. Вернувшись в лабораторию, он определил в образце воды все микроорганизмы, какие только смог, независимо от вида и добавил туда щедрую порцию хлоровирусов. Через 24 часа ДеЛонг начал искать признаки того, что какому-либо виду нравится компания хлоровирусов - что хотя бы один вид относится к вирусу не как к угрозе, а как к закуске. И в Halteria он нашел это.
"Сначала это было просто предположение, что их стало больше", - рассказывает ДеЛонг о цилиатах. "Но потом их стало достаточно много, чтобы я мог взять несколько штук наконечником пипетки, поместить их в чистую каплю и сосчитать". Всего за два дня количество хлоровирусов сократилось в 100 раз. Популяция Halteria, которой нечего было есть, кроме вирусов, увеличивалась в среднем в 15 раз за тот же промежуток времени. Популяция халтерий, лишенная хлоровирусов, тем временем не росла вообще. Чтобы подтвердить, что Halteria действительно потребляет вирус, ДеЛонг пометил ДНК хлоровирусов флуоресцентным зеленым красителем, прежде чем добавить вирус цилиатам. Конечно, эквивалент желудка цилиаты, ее вакуоль, вскоре засветилась зеленым цветом. Это было очевидно: цилиаты питались вирусами.
ДеЛонг подробно описал результаты экспериментов в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. "Я в восторге от того, что впервые смог увидеть нечто столь фундаментальное", - говорит он. Между тем, математическая сторона его души задалась вопросом, может ли эта конкретная динамика хищник-жертва, какой бы странной она ни казалась, иметь общие черты с более простыми парами, которые он привык изучать.
Он начал с построения графика снижения численности хлоровирусов в сравнении с ростом Halteria. Эта взаимосвязь, как обнаружил ДеЛонг, в целом соответствует той, которую экологи наблюдали среди других микроскопических охотников и их жертв. Halteria также преобразовала около 17% массы потребленных хлоровирусов в новую массу, что соответствует процентному соотношению, наблюдаемому при поедании бактерий Paramecia. Даже скорость, с которой цилиаты охотились на вирус, и примерно 10 000-кратное различие в их размерах соответствуют другим водным исследованиям.
С тех пор ДеЛонг и его коллеги выявили других ресничных, которые, как и Halteria, могут процветать, питаясь одними вирусами. Чем больше они обнаруживают, тем более вероятным кажется, что вировория может встречаться в природе. Такая перспектива наполняет голову эколога вопросами: Как это может повлиять на структуру пищевых сетей? Эволюцию и разнообразие видов в них? Их устойчивость перед лицом вымирания? Однако он снова решил не усложнять. Как только зима отступит, ДеЛонг вернется к пруду. "Теперь, - говорит он, - мы должны выяснить, происходит ли то же самое в природе".
