Геномы древних вирусов в ледниках раскрывают историю климата и адаптацию вирусов к его изменениям

Ледники служат природными архивами, сохраняя детальные записи прошлых климатов и экосистем, включая вирусы. Исследователи из группы Ice Core Paleoclimatology Университета штата Огайо изучают древние микроорганизмы в ледяных кернах с ледника Гулия на Тибетском нагорье.

Новое исследование связывает геномы древних вирусных сообществ с конкретными климатическими условиями, запечатленными во льду, и показывает, как эти вирусы адаптировались к изменяющемуся климату Земли за последние 41 000 лет.

Чтение истории в вирусных генах

Ученые использовали метагеномы — коллекции геномов, отражающие полный генетический состав всех микроорганизмов в образцах — для реконструкции вирусных геномов из девяти временных интервалов в ледяном керне Гулия. Эти периоды охватывают три крупных цикла "похолодание–потепление".

В результате анализа были восстановлены геномы, эквивалентные 1 705 видам вирусов, что более чем в 50 раз расширяет известный набор древних вирусов, сохраненных в ледниках.

Лишь около четверти обнаруженных вирусных видов имели сходство на уровне вида с вирусами, идентифицированными ранее почти в 1 000 метагеномах из глобальных баз данных. Большинство совпадающих видов также были с Тибетского нагорья. Это говорит как о локальном происхождении части вирусов в леднике Гулия, так и об относительной скудности данных о ледниковых вирусах в доступных базах.

Ключевые выводы:

• Вирусные сообщества значительно различались между холодными и теплыми климатическими периодами.
• Наиболее уникальное сообщество вирусных видов появилось около 11 500 лет назад, что совпало с крупным переходом от последнего ледникового периода к голоцену.
• Уникальные климатические условия, вероятно, влияли на состав вирусных сообществ через изменение ветровых потоков (перенос вирусов) и температурный отбор на леднике.

Исследователи также определили, как вирусы взаимодействовали со своими хозяевами. С помощью компьютерного моделирования, сравнивающего вирусные геномы с геномами других микробов из той же среды, было установлено, что вирусы стабильно инфицировали Flavobacterium — род бактерий, обычный для ледниковых сред.

Вирусы в леднике Гулия "крадут" гены у своих хозяев, чтобы манипулировать их метаболизмом. В вирусных геномах были обнаружены 50 вспомогательных метаболических генов, связанных с синтезом и распадом витаминов, аминокислот и углеводов. Некоторые из этих генов присутствовали во всех девяти изученных временных интервалах, что указывает на их роль в помощи микробным хозяевам справляться с суровыми условиями поверхности ледника, тем самым повышая приспособленность самих вирусов.

Таким образом, вирусы не только инфицируют и убивают клетки, но и, вероятно, изменяют приспособленность своих хозяев во время заражения, влияя на их способность выживать в экстремальных условиях ледников.

Значение для изучения климата

Эти находки предлагают новую перспективу на то, как жизнь в форме вирусов реагировала на климатические изменения на протяжении десятков тысяч лет. Изучение реакции древних вирусов на прошлые изменения климата дает ценные сведения об их адаптации к текущему глобальному потеплению.

Ледниковый лед, сохраняющий информацию о микроорганизмах и их экосистемах во времени в каждом слое, остается критически важным ресурсом для понимания истории климата Земли и поддерживаемой им жизни — особенно в условиях быстрого сокращения ледниковых запасов.