«Планета вірусів». Що за віруси живуть в океані і яку роль вони відіграють в еволюції
Віруси значно ускладнюють нам життя, але відіграють важливу роль в екології Землі: переносять ДНК між видами, забезпечують новий генетичний матеріал для еволюції та регулюють популяції організмів. Знайти їх можна всюди - навіть людський геном містить більше генетичного матеріалу вірусів, ніж наших генів. У книзі «Планета вірусів» науковий журналіст Карл Циммер розповідає, як віруси керують нами та біосферою, як вони дали поштовх розвитку перших форм життя на землі та як будуть визначати наші долі надалі. Пропонуємо вам ознайомитися з фрагментом, присвяченим вірусам, що мешкають в океані.
Інфікований океан. Як морські фаги правлять водами світу
Деякі великі відкриття спочатку здаються помилкою.
У 1986 р. Літа Проктор, аспірантка Нью-Йоркського університету в Стоуні-Брук, вирішила дізнатися, скільки вірусів мешкає у морській воді. На той час загальноприйнятою була думка, що навряд чи вони там можуть бути. Ті нечисленні дослідники, які зійшли до пошуків вірусів в океані, виявили їх незначну кількість. Більшість фахівців вважали, що переважно віруси, знайдені ними у морській воді, насправді потрапили туди з каналізації та інших наземних джерел.
Але згодом почали з'являтися дані, які не вписувалися у загальноприйняті погляди. Так, фахівець із морської біології Джон Сіберт опублікував фотознімок морської бактерії, що вивергає нові віруси. Проктор вирішила зробити систематичний пошук і дізнатися, скільки саме вірусів мешкає в океані. Вона вирушила до Карибського і Саргасового моря, збираючи під час експедиції проби води. Повернувшись на Лонг-Айленд, вона ретельно витягла з морської води біологічний матеріал і покрила частинками металу, щоб було видно під променем електронного мікроскопа. Коли Проктор нарешті подивилася на свої зразки, її очам відкрився світ вірусів. Одні вільно плавали, інші ховалися усередині бактерій. Підрахувавши чисельність вірусів у своїх зразках, Проктор зробила висновок, що кожен літр морської води містить до 10 млрд. вірусів.
Отримана Проктор цифра значно перевищувала оцінки попередників. Але коли інші вчені продовжили її дослідження та провели власні розрахунки, у них вийшли подібні значення. Вони знаходили віруси, що причаїлися в глибоководних жолобах, та віруси, замуровані у льодах арктичних морів. Вчені дійшли висновку, що в океані мешкає приблизно 10000000000000000000000000000000 вірусів.
Важко знайти об'єкт для порівняння, щоб уявити, наскільки це величезна кількість. Вірусів в океані в 100 млрд разів більше, ніж піщин на всіх пляжах світу. Якщо зважити всі віруси океанів, вийде вага 75 млн. синіх китів (притому що всього на планеті синіх китів менше 10000). А якщо вибудувати всі віруси океану в ланцюжок, то ланцюжок розтягнеться на 5,7 млн. світлових років.
Ці цифри не означають, що морське купання рівносильне смертному вироку. Лише незначна частка вірусів із океану здатна вражати людей. Деякі морські віруси заражають риб та інших морських тварин. Але найчастіше їхня мета — бактерії та інші одноклітинні мікроорганізми. Нехай мікроби невидимі неозброєним оком, але в сукупності їх набагато більше, ніж усіх китів, коралових рифів та інших форм морського життя разом узятих. І подібно до того, як бактерії, що живуть в нашому організмі, схильні до атаки фагів, так само морські бактерії стають жертвами морських фагів.
Коли 1917 р. Фелікс д'Ерелль вперше виявив бактеріофагів у виділеннях французьких солдатів, багато вчених відмовлялися вірити в їхнє існування. Тепер, за сто років, не підлягає сумніву, що д'Ерелль виявив найчисленнішу форму життя на Землі. Більше того, морські фаги мають масштабний вплив на планету. Вони впливають на екологію Світового океану. Вони накладають свій відбиток на світовий клімат Землі. І ось уже мільярди років вони грають найважливішу роль у еволюції життя. Інакше кажучи, вони є жива матриця біології.
Морські фаги відіграють таку помітну роль завдяки своїй надзвичайній контагіозності. Вони вражають нові мікробні клітини 100 млрд трлн разів на секунду і щодня вбивають від 15 до 40 відсотків усіх бактерій у Світовому океані. Із загиблих клітин-господарів виходять нові морські фаги. У кожному літрі морської води щодня народжується до 100 млрд. нових вірусних частинок.
Їхня забійна сила контролює популяцію господарів, і нам, людям, ця смертоносність часто служить на благо. Холеру, наприклад, викликає розмноження бактерій, що живуть у воді — вібріонів. Але на вібріонах паразитує безліч фагів. Коли відбувається вибухоподібне зростання популяції вібріонів, що запускає епідемію, розмножуються фаги. Населення вірусів зростає так швидко, що воно знищує вібріони швидше, ніж вони встигають розмножуватися. Бактеріальний бум стихає, і епідемія холери йде на спад.
Із загиблого мікроба вивергаються не лише нові віруси. Вивільняються також органічні сполуки вуглецю та інші речовини. Щорічно морські віруси вивільняють мільярди тонн вуглецю, і цей величезний приплив впливає на планетарному масштабі. Він виконує роль добрива, стимулюючи зростання незліченних нових мікроорганізмів, частина яких є основою харчового ланцюгу в океані. Цей харчовий данцюг, ймовірно, був би біднішим, якби його зростання не стимулювали віруси. Частина вуглецю, що вивільняється, не поглинається мікроорганізмами, а осідає на дно океану. Нутрощі мікроба липкі, і як тільки вірус розриває господарську клітину, клейкі молекули вибираються назовні і захоплюють органічні сполуки, що знаходяться поблизу, створюючи потужну хуртовину з підводного снігу, що падає на морське дно.
Хазяї морських вірусів у відповідь на цю загрозу захищаються на всі лади. Але віруси вигадують способи здолати їх. Оскільки кожен вид має власний еволюційний шлях порятунку, ця гонка озброєнь породила запаморочливе розмаїття морських вірусів. На початку своїх досліджень Літа Проктор не уявляла, скільки різних видів вірусів вона відкриває. Дивлячись у мікроскоп, вона могла перерахувати їх, але бачила лише обмежений набір форм - кулі, циліндри і т. п. Але у світі вірусів зовнішність оманлива. Риновіруси та вірус поліомієліту виглядають як майже однакові кульки, але перші викликають легку застуду, а другі можуть довести до паралічу чи смерті.
З початку 2000-х років вірусологи знайшли спосіб розрізняти їх під масками, вивчаючи безпосередньо вірусні гени. Вони почали збирати зразки — морської води, бруду чи джмелиних нутрощів — і відфільтровувати з них все, крім вірусів. Потім вони витягали з вірусів генетичний матеріал та секвенували його. Іноді прочитані послідовності збігалися з відомими видами або штамами вірусів. Але набагато частіше не співпадали. Куди б не заглядали вчені, вони знаходили приголомшливу різноманітність вірусів. Навіть у нашому власному організмі нас чекали сюрпризи. У 2014 р. колектив вчених під керівництвом Баса Дутіла відкрив у людських фекаліях новий тип фага, який назвали Крас-фагом (crAss — скорочено від cross assembly, «перехресне складання» — метод відтворення генетичної послідовності вірусу). Незабаром дослідники виявили безліч інших різновидів вірусів, близьких КрАссфагу, що становлять до 90 відсотків усіх вірусів у людському кишечнику. Адже вони залишалися непоміченими цілих сто років після того, як Фелікс д'Ерелль відкрив фагів.
А справжній масштаб віросфери виявився саме у океанах. Метью Чапмен, вірусолог з Університету штату Огайо, спільно зі своїми колегами аналізував генетичний матеріал із морської води, зібраної під час навколосвітньої наукової експедиції. У 2016 р. вони прозвітували про понад 15 000 нових видів вірусів. Для порівняння: кількість видів ссавців лише близько 6400. Чапмен і його співробітники думали, що вони досить точно оцінили різноманітність вірусів у морях, але про всяк випадок продовжували збирати зразки води і винаходити нові способи виявлення в ній вірусних генів. У 2019 році вони повідомили вже про 200 000 видів. До того ж ними було обстежено лише мала частина океану. Загалом, за оцінками деяких дослідників, на Землі можуть мешкати до 100 трлн видів вірусів — більшість їх у морі.
Ця різноманітність вірусів виникла завдяки їхньому незвичайному способу розмноження. Заражені клітини синтезують безліч нових вірусних частинок, але роблять це абияк. Гени нових вірусів кишать помилками копіювання. Більшість цих мутацій робить віруси нежиттєздатними, але деякі з них дають вірусу еволюційну перевагу, дозволяючи ефективніше заражати господарів. Якщо в клітину потрапляють одночасно два види вірусів, то вони можуть обмінятися генами. Вірус здатний навіть прихопити із собою трохи власних генів господаря, які потім передасть новим господарям. За однією з оцінок, щорічно морські віруси переносять між геномами своїх господарів трильйонів трильйонів генів.
Завдяки горизонтальному перенесенню генів, можливо, саме віруси забезпечили чималу частку світових запасів кисню. Значна частина атмосферного кисню виробляється фотосинтезуючими мікроорганізмами в океанах. Деякі віруси, що заражають їх, мають власні гени, що відповідають за фотосинтез. Впровадившись, віруси беруть відповідальність за захоплення і перетворення світла. За орієнтовними підрахунками, 10 відсотків всього фотосинтезу Землі здійснюється за допомогою вірусних генів. Зробіть десять вдихів - кожним десятим ви зобов'язані вірусу.
Цей обмін генами не тільки сильно впливає на сучасну Землю, а й робив це протягом всієї історії живого. Зрештою, саме в океанах зародилося життя. Найдавніші сліди життя — це скам'янілості морських мікроорганізмів віком майже 3,5 млрд років. Саме в океанах виникли багатоклітинні організми — їхнім найдавнішим залишкам близько 2 млрд років. Наші власні предки вибралися на сушу лише 400 млн років тому. Віруси не залишають скам'янілих відбитків, проте вони залишають сліди в геномах своїх господарів. Ці сліди вказують на те, що віруси існують мільярди років.
Вчені вміють простежувати історію генів, порівнюючи геноми видів, що відокремилися від стародавнього загального предка. Це зіставлення дозволяє, зокрема, виявити гени, доставлені нинішньому господарю вірусом, який існував у незапам'ятні часи. Наука встановила, що у всіх живих істот геноми мозаїчні — вони включають сотні, навіть тисячі генів, привнесених вірусами. Хоч би як далеко в минуле не заглядали дослідники, до самої основи еволюційного дерева, — у всі часи віруси переносили гени. Дарвіну історія живого представлялася як дерево. Але історія генів, принаймні стосовно мікроорганізмів в океані та їх вірусів, більше нагадує жваву мережу торгових шляхів, що тягнеться на мільярди років у минуле.
