Собрав образцы из ледника Гулия в Тибете, исследователи обнаружили сохранившиеся геномы 1705 видов вирусов, самые древние из которых датируются 41 000 лет назад. Считается, что разнообразие вирусных популяций значительно увеличивается в периоды потепления. Это открытие позволяет предположить тесную взаимосвязь между эволюцией микробных экосистем и масштабными изменениями климата.
Ледники являются основными палеоклиматическими архивами, накапливающими и сохраняющими данные за сотни тысяч лет. Группа экспертов из Университета штата Огайо и Университета Небраски предположила, что вирусы, сохранившиеся в ледниках, могут дать беспрецедентную информацию об эволюции климата и экосистем во времени.
Микробы играют важную роль в эволюции экосистем, регулируя разнообразие и адаптивную эволюцию других видов. Это достигается, например, за счет давления отбора (эволюция видов под воздействием экологических изменений) или передачи генов через вирусы. Микроорганизмы также могут регулировать экологический метаболизм экосистемы, то есть концентрацию поглощаемых и вырабатываемых соединений (например, CO2), а также скорость протекания этих процессов.
«Среди этих ледниковых архивов есть вирусы, которые потенциально играли ключевую экологическую роль в прошлом, пока не замерзли», — пишут исследователи в своем новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Geoscience. Однако связь между изменениями в разнообразии вирусных экосистем и изменениями климата в прошлом была мало изучена как из-за технических ограничений, так и из-за нехватки данных.
Ледяные керны содержат лишь очень малую долю биомассы, не говоря уже о трудностях, связанных с их сбором в полевых условиях. Кроме того, микробиология ледников — относительно недавняя область исследований и, как правило, считается рискованной из-за выделения потенциально опасных патогенов. Это значительно ограничивает доступ к финансированию исследований и научных экспедиций.
Тем не менее «данные такого рода просто необходимы для ответа на все вопросы о том, как выглядела Земля раньше», — объясняет Мэтью Б. Салливан из Университета штата Огайо, соавтор исследования, в интервью Popular Science. С другой стороны, бурение доисторического льда не представляет особого риска для здоровья человека, поскольку древние вирусы, скорее всего, заражали прокариотические организмы (бактерии и археи), а не более сложные. Поэтому Салливан и его коллеги сосредоточились на этих вирусах, чтобы изучить связь между их эволюцией и климатическим циклом Земли.
Большее разнообразие в периоды глобального потепления
Образцы для нового исследования были взяты с ледника Гулия, расположенного на крайнем северо-западе Тибетского нагорья. Этот ледник, нижняя часть которого расположена на высоте 6 000 метров, считается одним из самых богатых архивов для изучения крупномасштабных палеоклиматических изменений. В экспедиции участвовала команда из примерно 60 человек, которые в течение двух месяцев собирали керны и перевозили их на спинах яков. Каждое животное перевозило (в несколько заходов) около 12 метров ледяных сегментов, некоторые из которых были взяты прямо над коренной породой ледника, на глубине 310 метров.
Проанализировав керны в лаборатории с помощью современных методов секвенирования, исследователи выделили геномы 1 705 видов вирусов, причем самые древние из них датируются 41 000 лет, а самым последним всего 160 лет. Это в 50 раз больше данных о вирусах, собранных из ледников, чем когда-либо ранее.
Отбор проб ледяных кернов в леднике Гулия.
Большинство вирусов (более 70 %) никогда не были зарегистрированы ранее и являются эндемиками ледника, в то время как около четверти существуют в других частях света. «Это означает, что некоторые из них могли быть занесены из таких регионов, как Ближний Восток или даже Арктика», — предполагает ведущий автор исследования Чжи-Пин Чжун в блоге Университета штата Огайо.
Проанализировав разнообразие геномов, специалисты обнаружили, что состав вирусных популяций различался в зависимости от климатических условий, отраженных в каждом диапазоне глубин ледника. В холодные периоды вирусные сообщества возвращаются к относительно стабильному и схожему составу, в то время как в периоды потепления их разнообразие значительно возрастает.
Наиболее разнообразная и специфическая популяция датируется периодом около 11 500 лет назад, совпадающим с основным переходным периодом между последним ледниковым периодом и голоценом. Это был самый впечатляющий период климатического потепления за 41 000 изученных лет. Эти данные позволяют предположить, что на эволюцию вирусов огромное влияние оказывают климатические изменения.
Биогеография вирусов Гулии.
Адаптация, влияющая на способность выживания носителей
Дальнейший анализ показал, что эта климатическая адаптация также влияет на способность носителей вирусов выживать или адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Вирусы ледника Гулия вынуждены «красть» гены у своих носителей, чтобы управлять их метаболизмом. Некоторые из этих генов присутствуют в изобилии во всех изученных временных интервалах, что говорит об улучшении вирусного потенциала с течением времени.
Эти результаты позволяют предположить, что вирусы не только заражают своих носителей, но и изменяют их морфологию, тем самым влияя на их способность выживать в экстремальных условиях. По мнению экспертов, эти данные могут улучшить наше понимание того, как вирусы эволюционируют в ответ на серьезные изменения окружающей среды, и смоделировать, как современные вирусы могут реагировать в условиях нынешнего глобального потепления. Однако для того, чтобы подтвердить эти результаты и включить их в модели климата и экосистем, необходимы дополнительные исследования. Исследовательская группа уже собирается собрать больше подобных образцов с ледника Гулия.
