Вирус в тихом океане

Обновлено: 27.03.2024

Некоторые великие открытия вначале напоминают чудовищные ошибки.

В 1986 году выпускница Нью-Йоркского государственного университета Лита Проктор (Lita Proctor) решила узнать, как много вирусов содержится в морской воде. В то время считалось, что шанс обнаружить их там почти отсутствует. Те немногие исследователи, кто тратил свое время на их поиски, практически не находили их там. Большинство экспертов считали, что вирусы, обнаруженные в океане, попали туда из канализации и других источников, находящихся на суше.

Через годы несколько ученых собрали доказательства, не укладывавшиеся в данную теорию. Океанолог Джон Сиберт (John Sieburth) опубликовал снимок морской бактерии и вырывающихся из нее вирусов. Проктор решила, что стоит начать их систематический поиск. Она путешествовала по Карибскому и Саргассовому морям, собирая образцы воды. Когда Проктор взглянула на собранные ею образцы через электронный микроскоп, ее взгляду предстал целый мир вирусов. Некоторые держались отдельно, в то время как другие находились внутри своих бактерий-носителей.

Основываясь на количестве вирусов, обнаруженных ею в собранных образцах, Проктор предположила, что каждый литр морской воды содержит около ста миллиардов вирусов.

Цифры, полученные Проктор, были несоизмеримы с результатами предыдущих исследований. Немногие ученые бы удивились, узнав, что она по ошибке добавила пару лишних нулей. Но когда другие ученые проводили собственные исследования, которые привели к схожим результатам, то они также пришли к мнению, что в океане живет около 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 вирусов.

Сложно найти что-то, с чем можно сравнить такое невероятное число. На каждого обитателя океана приходится по пятнадцать вирусов. Если положить все вирусы океана на чашу весов, то на другой можно разместить семьдесят пять миллионов голубых китов. Если же выстроить все их в одну линию, то она протянется через шестьдесят ближайших галактик.

Все эти цифры не означают, что купание в океане граничит с самоубийством. Только 1/60 часть вирусов в океане способна инфицировать человека. Некоторые морские вирусы инфицируют рыб и других морских животных, но наиболее частой их добычей являются микробы. Микробов хоть и не видно невооруженным взглядом, но они по массе превосходят всех живущих в океане китов, все кораллы и остальные формы океанической жизни. Подобно тому как бактерии в нашем организме подвергаются нападению фагов, морские микробы атакуются морскими вирусами-бактериофагами (морскими фагами).

Когда Феликс Д’Эрель впервые обнаружил бактериофаги в организмах французских солдат в 1917 году, многие ученые отказывались верить в их существование. Сто лет спустя выяснилось, что Д’Эрель обнаружил самую распространенную форму жизни на Земле. С момента обнаружения Проктор изобилия морских вирусов ученые продолжают делать открытия, подтверждающие их колоссальное влияние на нашу планету. Морские фаги влияют на экологию Мирового океана. Они вносят свой вклад в мировой климат. Кроме того, они оказывали решающее влияние на ход эволюции на протяжении миллиардов лет. Другими словами, они играют роль цементирующего вещества в биосфере.

Сильной стороной морских вирусов является их высокая способность к заражению. За одну секунду три триллиона морских вирусов находят своих носителей. Каждый день вирусы убивают около половины всех бактерий в Мировом океане. Их убийственная эффективность держит под контролем размножение их носителей, и люди в конечном итоге часто оказываются в выигрышном положении. Холера, например, вызывается передающимися с водой бактериями вибрионами (Vibrio). Однако вибрионы являются носителями для некоторых видов морских фагов. Когда численность вибрионов резко возрастает и случается вспышка холеры, фаги тоже начинают размножаться быстрее. Популяция вирусов растет так быстро, что они убивают бактерий скорее, чем те могут размножаться. Бум размножения бактерий затихает, и эпидемия холеры вместе с ним.

Океанические вирусы поражают не только своим числом, но и своим разнообразием. Гены человека и гены акулы очень похожи — настолько похожи, что ученым удается найти аналог большинства генов человека в геноме акулы. Генетическое строение морских вирусов, с другой стороны, ни на что не похоже. Во время исследования вирусов в Северном Ледовитом океане, Мексиканском заливе, возле Бермудских островов и в Северной Атлантике ученые идентифицировали около 1 800 000 вирусных генов. Только 10 % их генов имеют аналоги в геноме бактерий, животных, растений или даже других вирусов. Остальные 90 % были совершенно неизвестны науке. В 200 литрах морской воды ученые обычно находят 5 000 генетически разнообразных вирусов. В килограмме морских отложений может быть до миллиона видов вирусов.

Одной из предпосылок существования такого разнообразия морских вирусов является обилие носителей. Каждый род вирусов должен приспосабливаться для того, чтобы проникнуть в организм носителя. Однако разнообразие может появиться и более мирным путем. Умеренные фаги постепенно проникают в ДНК своего носителя. Размножаясь, носители воспроизводят и ДНК вирусов. Пока ДНК умеренного фага остается невредимой, она имеет возможность вырваться из организма своего носителя во время его стрессового состояния. Но по мере смены поколений ДНК фага мутирует и теряет способность высвобождаться из генома носителя, становясь его неотъемлемой частью.

Воспроизводя вирусы, клетка-носитель может случайно добавить им собственных генов. Неся в себе гены бывших носителей, вирусы начинают вносить их вместе с собственными в ДНК новых носителей. По приблизительным расчетам вирусы переносят триллион триллионов генов от генома к геному ежегодно.

Благодаря заимствованию генов вирусы могут отвечать за выработку значительной части кислорода на Земле.

Распространенный вид океанических бактерий, синехококков, отвечает за четверть происходящего на Земле фотосинтеза. Изучая ДНК этих бактерий, ученые обнаружили, что их способность к фотосинтезу обусловлена позаимствованными у вирусов белками. Ученые нашли даже свободно живущие вирусы, обладающие фотосинтетическими генами, находящиеся в поисках новых носителей. Согласно примерным подсчетам, 10 % всего фотосинтеза на Земле происходит благодаря генам вирусов. Вдохните десять раз, и один из этих вдохов будет пожалован нам вирусами.

Циркуляция генов оказала огромное воздействие на существование жизни на Земле. Жизнь, в конце концов, зародилась в океане. Старейшими следами существования вирусов на Земле являются окаменелости морских микробов, датируемые 3 500 000 000 годами до н. э. В океане около 2 миллиардов лет назад появились первые многоклеточные организмы. Наши далекие предки выползли на сушу только 400 тысяч лет назад. Вирусы не оставляют окаменелых останков, но они оставляют след в геноме своих носителей. Эти следы доказывают существование вирусов на протяжении миллиардов лет.

Ученые могут отслеживать историю генов, сравнивая геномы видов, произошедших в далеком прошлом от общего предка. Это сравнение может, например, выявить гены, переданные древним вирусом своему носителю. Ученые выяснили, что геномы всех живых организмов содержат сотни тысяч генов, переносимых вирусами. Как бы сильно ученые ни углублялись в историю жизни на Земле, они всегда обнаруживали переносимые гены. Хотя Дарвин и представлял себе историю жизни в виде дерева, история генов больше напоминает шумную торговую сеть, имеющую историю длиной в миллиарды лет.

Бактериофаги в действии

Бактериофаги в действии Мы уже познакомились со строением вирусов. Узнали мы и об их сходстве с неживыми химическими соединениями. Теперь нам предстоит подробнее рассмотреть особенности, связывающие их с живыми организмами.Итак, мы уже знаем, что вирусы сходны с

Морские змеи

Морские змеи Около 350 млн лет тому назад дышащий воздухом сородич целаканта – латимерий выкарабкался из воды на своих неуклюжих кистеперых плавниках и стал первым позвоночным, начавшим жить на суше. Растения и беспозвоночные уже успели распространиться там, проникнув с

МОРСКИЕ МЛЕКОПИТАЮЩИЕ

9. Бактериофаги

9. Бактериофаги Бактериофаги (фаги) – это вирусы, поражающие клетки бактерий. Они не имеют клеточной структуры, неспособны сами синтезировать нуклеиновые кислоты и белки, поэтому являются облигатными внутриклеточными паразитами.Вирионы фагов состоят из головки,

50. Вирус полиомиелита, ЕСНО-вирусы, вирусы Коксаки

50. Вирус полиомиелита, ЕСНО-вирусы, вирусы Коксаки Вирус полиомиелита. Относится к семейству Picornaviridae, роду энтеровирусов.Это относительно небольшие вирусы с икосаэдральной симметрией. Геном образует несегментированная молекула +РНК.Каждая вирусная частица состоит из

ЛЕКЦИЯ № 4. Генетика микроорганизмов. Бактериофаги

ЛЕКЦИЯ № 4. Генетика микроорганизмов. Бактериофаги 1. Организация наследственного материала бактерий Наследственный аппарат бактерий представлен одной хромосомой, которая представляет собой молекулу ДНК, она спирализована и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке

3. Бактериофаги

3. Бактериофаги Бактериофаги (фаги) – это вирусы, поражающие клетки бактерий. Они не имеют клеточной структуры, неспособны сами синтезировать нуклеиновые кислоты и белки, поэтому являются облигатными внутриклеточными паразитами.Вирионы фагов состоят из головки,

2. ЕСНО-вирусы. Вирусы Коксаки

2. ЕСНО-вирусы. Вирусы Коксаки Относятся к семейству Picornaviridae, роду энтеровирусов.Строение вириона такое же, как у вируса полиомиелита.ЕСНО вирусы выделены в особую группу кишечных вирусов вследствие полного отсутствия патогенного действия на лабораторных животных.

“Затерянный мир” — океан…

“Затерянный мир” — океан… Реконструкции скелетов давным-давно вымерших ящеров украшают залы многих музеев мира. В зоопарках, а порой и просто в парках установлены макеты чудовищных динозавров. Писатели-фантасты неоднократно обращались к теме встречи человека с

Май Изможденная самка и зараженный клещами самец

Май Изможденная самка и зараженный клещами самец Рэд посмотрела на свои бедра, ткнулась в них носом и еще раз посмотрела. Мускулистые, но очень тощие. Две недели жизни в одиночку сказались на ее питании. Одинокий раптор плохой охотник, и она кормилась чем придется: где

Морские ракеты

МОРСКИЕ ЛЮДИ

МОРСКИЕ ЛЮДИ Древнегреческие легенды рассказывают: как-то самого бога вина Диониса похитили кровожадные пираты и стали требовать от него выкуп, угрожая расправой. Никакие увещевания образумиться, сопровождаемые обильными возлияниями и разнообразными кушаньями, не

Фото © VK / Greenpeace России / Василий Яблоков, © Instagram / <u>yola_la</u></p>

Фото © VK / Greenpeace России / Василий Яблоков, © Instagram / yola_la

О том, что Камчатка переживает экологическое бедствие, страна узнала во многом благодаря поклонникам водного спорта. Именно они рассказали в соцсетях о том, как почти ослепли после сёрфинга у Халактырского пляжа в 15 километрах от Петропавловска-Камчатского. По словам спортсменов, некоторым из них поставили диагноз: ожог роговицы. Одновременно с этим Сеть заполнилась фотографиями трупов осьминогов, морских млекопитающих и других животных, лежавших на берегу.

Причины экологической катастрофы в Тихом океане: главные версии

На сегодня достоверно известно только то, что воды Тихого океана у берегов Камчатки отравлены некими токсичными соединениями. Но что или кто именно отравил океан, пока не ясно. Следственный комитет уже завёл уголовное дело по факту сброса отравляющих веществ в прибрежные воды. Возможно, виной тому послужили танкеры, которые Лайф обнаружил у берегов Камчатки.

Лайф нашёл танкеры, проходившие рядом с местом катастрофы на Камчатке. Ещё одна версия — утечка с полигонов

С другой стороны, рассматривается версия утечки ядов с военных полигонов, находящихся недалеко от берега. Через реку, протекающую рядом с этими полигонами, отрава могла попасть в океан, что и послужило в результате причиной массовой гибели животных и растений. Эту версию теоретически подтверждают спутниковые снимки, на которых заметно значительное изменение цвета воды на побережье у устья реки. Речь идёт, в частности, о Козельском полигоне пестицидов и ядохимикатов. Он расположен в 35 километрах от столицы региона. Там ещё с 1970-х годов хранятся отходы промышленности и сельского хозяйства, в том числе, например, средства от насекомых-вредителей, запрещённые сейчас во многих странах из-за их опасности для людей и животных. Есть также данные, что там захоронили около 20 тонн мышьяка.

Они поражают не только невероятными размерами, но и беспрецедентно сложной генетикой. Более того, их происхождение неясно.

Фото © Shutterstock</p>

Несколько лет назад китайский подводный аппарат опустился в одно из самых таинственных мест на Земле — Бездну Челленджера, это самое дно знаменитой Марианской впадины в Тихом океане. Там на 11-километровой глубине температура близка к нулю, давление примерно 1100 атмосфер, полная темнота и крайняя скудость в смысле питания для живых организмов. И тем не менее это далеко не безжизненное место. Со дна взяли образцы и в них обнаружили множество микроскопических организмов. А некоторые из них весьма странные. Учёные их раньше уже встречали, и накопилось множество вопросов.

В 1976 году в американской Филадельфии была вспышка какой-то необычной пневмонии. Её прозвали "болезнью легионеров", потому что она поразила участников очередного съезда ветеранов боевых действий (Американского легиона). Более двух сотен человек заразились, 34 умерли. Учёные принялись искать возбудителя инфекции. В конце концов нашли: это оказались бактерии, их так и назвали — легионеллами. Но дело в том, что на эти поиски ушло довольно много лет, и в этом долгом процессе исследований однажды — в 1992 году — в числе прочего обнаружили вот такое.

Мимивирус. Фото © Википедия

Микробиологи увидели внутри амёбы некий организм в виде многогранника с 20 гранями, такая фигура называется икосаэдром. Покрыт длинными нитями, как волосами. И у него довольно-таки внушительные (в масштабах микромира, конечно) размеры — 500, а то и все 700 нанометров в диаметре. К примеру, у большинства вирусов, для сравнения, диаметр где-то 20, или 50, или 80 нанометров. Поэтому учёные и сказали: это бактерия. Для бактерии такие габариты совершенно нормальны. Даже дали ей название Bradfordcoccus — в честь английского города Брэдфорда, где её и нашли. После этого ещё несколько лет данный образец продержали в холодильнике, а затем его исследовала другая группа учёных. И то, что они обнаружили, если не повергло их в шок, то как минимум изумило: нет, это не бактерия. Бактерии так себя не ведут. У неё жизненный цикл идёт, как у вируса. Это гигантский вирус, который только притворяется микробом. Мимикрирует под микроб. Поэтому он был переименован в мимивирус.

Что о нём удалось выяснить впоследствии. Что это вирус амёб, созданий, которые особым интеллектом не отличаются: они думают, что это бактерия, и проглатывают притворщика. А у него имеется в одном месте небольшая структура, напоминающая звезду. Микробиологи стали называть её звёздными вратами. Так вот, часа через два эти врата открываются и оттуда является вирусная ДНК, то есть молекула-командир, молекула-программа. И ещё спустя пару часов она успешно разворачивает фабрику по производству себе подобных — репликацию. За сутки максимум она собирает штук триста репликантов, и амёба-жертва просто разрывается, это называется лизисом.

И добро бы ещё дело ограничивалось одними амёбами. Но есть исследования о том, что они с таким же успехом могут обитать в человеческих макрофагах, это такие клетки в нашем организме, которые занимаются поеданием в общем-то всего, что нам не нужно: патогенов, остатков разрушенных клеток, токсинов и так далее. Санитары. То есть в нормальной ситуации они съедают нехорошую частицу и просто её переваривают. Но если эта частица способна там обосноваться и организовать производственный процесс, то это уже, знаете ли, интересно получается. И ведь в начале 2000-х в Канаде у нескольких пациентов с воспалением лёгких нашлись антитела против этих мимивирусов. А однажды во Франции лаборант, который их выращивал, подхватил пневмонию. Правда, справедливости ради надо сказать, что совсем не факт, что именно мимивирус к этому причастен. Не установлено.

Фото © Shutterstock

Далее. Маленький гигант большой репликации производит впечатление не только своими размерами, но и богатым устройством генома: миллион с лишним пар нуклеотидов (строительных блоков ДНК) — примерно в 40 раз больше, чем у того же ковида. Более того, у него много таких белков, которых у других вирусов нет, зато они есть у бактерий, к примеру, или у одноклеточных. А есть такие, которые вообще не похожи ни на один известный белок.

Спрашивается, откуда и зачем столько всего. И это вопрос о, собственно, происхождении мимивирусов. Есть две версии. По одной, это результат "обратной эволюции": сначала он был обыкновенным вирусом, потом развился до уровня бактерии, но через какое-то время передумал и вернулся к вирусному образу жизни. А по другой — он просто насобирал себе этих генов и белков у своих хозяев по мере накопления паразитического опыта. Но, кстати, не исключено, что он не такой уж мерзавец: учёные подозревают, что некоторые из приобретённых способностей он использует в помощь хозяину. То есть это уже по сути симбиоз. Таким образом, оба остаются живы и получают эволюционное преимущество.

Да, вот же что ещё любопытно: на нём самом нашли маленькие вирусы, их назвали Sputnik, то есть это уже его собственный паразит. Вирус вируса!

Наконец, мимивирус снова поднимает давний спор о том, можно ли считать вирусы живыми существами. Появляется новый аргумент в пользу того, что да: на эту мысль наводит происходящее в мимивирусных фабриках. Репликация ДНК, синтез белков — всё это очень напоминает процессы в клеточном ядре.

И ещё один вопрос: почему этим вирусам-гигантам больше нравится на дне Марианской впадины, чем где бы то ни было ещё. Пока в таких количествах, как в жёлобе, их больше нигде не видели.

Морские вирусы - самые многочисленные организмы, обитающие в Мировом океане

Микроорганизмы размером с 60 галактик

Обитель зла. Кадр из фильма

В 1989 году ученые из Бергенского университета решили посмотреть через трансмиссионный электронный микроскоп на материал, осажденный из морской воды. Результат был ошеломительный: выяснилось, что в одном миллилитре пробы обитает около 250 миллионов вирусов — в сто раз больше, чем считалось прежде, когда вирусные частицы изучали на искусственно культивируемых бактериальных газонах.

"Дальнейшие работы дали еще более потрясающие результаты. Вирусы оказались самыми многочисленными организмами, обитающими в Мировом океане, — их счет идет на квинтиллионы (10 30 ). Если поставить все морские вирусные частицы в цепочку, она растянется на 60 галактик", — рассказывает доктор биологических наук Елена Лихошвай, профессор, заведующая отделом ультраструктуры клетки Лимнологического института Сибирского отделения Российской академии наук.

Современные методы расшифровки ДНК еще сильнее изменили представления о числе и разнообразии вирусов, живущих на планете. В 2016 году ученые из Объединенного института генома в Калифорнии и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли проанализировали огромный объем данных, полученных после метагеномного секвенирования образцов из трех тысяч географических точек, — это были морские, пресноводные и наземные экосистемы. Исследователи обнаружили свыше 125 тысяч участков вирусных ДНК, что увеличило число известных вирусных генов в 16 раз.

Неприхотливые и очень живучие

Микроорганизмов в Мировом океане гораздо больше, чем рыб и морских млекопитающих. По некоторым данным, на них приходится до 98 процентов всей океанической биомассы. И самые многочисленные — вирусы. Каждую секунду они заражают триллиарды (10 23 ) морских обитателей и таким образом ежедневно истребляют до 20 процентов океанической биомассы.

Лабораторные исследования

При этом вирусы отличаются крайней живучестью и неприхотливостью. Они могут существовать в широком диапазоне температур и в самых неблагоприятных условиях. Например, вирус морской диатомеи (Chaetoceros debilis CdebDNAV) продолжает заражать и при минус 196 градусах Цельсия. Цианофаги сохраняются в осадках до ста лет, а гигантский вирус амеб Pithovirus sibericum возрастом 30 тысяч лет, не так давно обнаруженный в вечной мерзлоте, все еще был способен инфицировать микроорганизмы.

Кроме того, долгое время считалось, что каждый вирус охотится только на узкую группу внутри микробного сообщества — бактерии того или иного вида. Однако американские ученые показали, что морские вирусы не столь привередливы в еде и могут инфицировать микроорганизмы разных родов.

Никто не избежит заражения

Эти цифры и факты вовсе не значат, что отпуск на море граничит с самоубийством. Только одна шестидесятая часть всех вирусных частиц, обитающих в воде, опасна для человека. От некоторых страдают рыбы и морские млекопитающие, но основная их добыча — микробы, играющие важную роль в формировании земного климата.

"Известно, что после атаки вируса в геноме бактерии остаются последовательности CRISPR — небольшие повторяющиеся отрезки генома, разделенные нетранскрибируемыми участками ДНК, заимствованными из чужеродных генетических элементов. Они обеспечивают "иммунитет" к повторной инфекции, и по их наличию в геноме бактерии можно заключить, что она уже была заражена определенным фагом. CRISPR обнаружены у 40 процентов бактерий и 90 процентов архей", — говорит Елена Лихошвай.

Схема жизненного цикла морского вируса (бактериофага)

По некоторым данным, цианобактерии, благодаря которым на Земле когда-то появился кислород, и другие микроскопические морские фотосинтетики сегодня потребляют примерно половину всего выделяемого в атмосферу углекислого газа. Поэтому вирусы-бактериофаги, атакующие и истребляющие их, могут играть значительную роль в процессах глобального потепления. Впрочем, пока в научном мире нет единого мнения о том, с каким знаком это влияние — плюсом или минусом.

Санитары моря

Ученый в Антарктиде

Как выяснили исследователи из Уорикского университета, вирусное заражение действительно сказывается на фотосинтетических способностях цианобактерий — фиксация углекислого газа (то есть его превращение в углеродные соединения) в бактериальной культуре замедляется после атаки бактериофагов почти в пять раз. По приблизительным оценкам, в результате инфицирования микроорганизмов в атмосфере ежегодно остаются непоглощенными до пяти миллиардов тонн углерода — это десять процентов всего углерода, фиксируемого Мировым океаном.

Впрочем, некоторые ученые указывают, что после уничтожения бактерий вирусами останки микроорганизмов погружаются на глубину, где процессы, приводящие к выделению углекислого газа, сильно замедленны. Там они выделяют железо, фосфор и некоторые другие элементы, необходимые для питания фитопланктона. Фитопланктон разрастается и поглощает еще больше углекислого газа.

"Согласно новой схеме глобального круговорота органического вещества и биогенных элементов водных экосистем, вириопланктон (совокупность всех вирусов, обитающих в Мировом океане) влияет на многие биогеохимические и экологические процессы, включая цикл питания, дыхания и распределение веществ в различных звеньях экосистемы. В оценках круговорота углерода и азота необходимо учитывать роль вирусов, так как они — важная часть пищевых сетей, регулирующая глобальные биогеохимические циклы", — резюмирует Елена Лихошвай.

© Фото : David Savage, Bruno Afonso, Pamela Silver Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) с карбоксисомами

Читайте также: