Плавание в море микробов
Исследователи под руководством Мэтта Салливана из Университета Аризоны одними из первых погрузились в мир вирусов, дрейфующих в мировом океане.
На борту исследовательского судна Tara Oceans ученые, включая Мелиссу Дюэм из лаборатории Салливана, собирают образцы океанской воды. Её миссия — сбор образцов одних из наименее изученных, но важнейших драйверов производства пищи, кислорода и даже климата Земли: океанских вирусов.
В недавней публикации авторы соглашаются, что основные глобальные биогеохимические циклы — производство питательных веществ, химия атмосферы и климат — в значительной степени контролируются невидимыми организмами: вирусами, бактериями, одноклеточными водорослями. Вместе они составляют основную биомассу океанов. По словам ученых Tara, микробы производят почти столько же кислорода, сколько все наземные растения, и поглощают половину парникового газа CO2 от человеческой деятельности.
Океан в микроскопическом масштабе
Экспедиция Tara в Арктику обнаружила свидетельства реальности глобального потепления. Одна из ключевых задач Tara Oceans — понять, как планктон адаптируется к резким изменениям среды.
«Океан может казаться нам текучим и непрерывным, но в микроскопическом масштабе он больше похож на сеть соплей», — говорит Салливан. Вода полна слизистых выделений от различных организмов, создающих матрицу.
Вирусы, лишенные собственного метаболизма и зависящие от захвата организмов для размножения, чрезвычайно могущественны. Многие эволюционировали для высокоспециализированного взаимодействия с хозяевами, часто убивая их. Некоторые океанские вирусы захватывают водоросли и берут под контроль процесс фотосинтеза, пополняющий запасы кислорода. Другие просто уничтожают огромное количество организмов, ограничивая биомассу, поддерживающую пищевые цепи.
Исследователи оценивают, что на Земле вирусных частиц в 1 миллион раз больше, чем звезд во Вселенной: около 10 нониллионов (число с 31 нулём). 90% этих вирусов, как полагают, обитают в океанах.
По оценке Салливана, стопка морской воды может содержать от 4000 до 80 000 различных типов вирусов, но эти цифры страдают от общего недостатка знаний в научной области.
«Мы до сих пор не имеем хорошего представления о том, что constitutes a species у вируса или микроба», — говорит он. Много работы в его лаборатории сосредоточено на этом вопросе.
Чтобы получить ответы, команда Салливана применяет подход population genomics, и образцы, собранные Дюэм на Tara Oceans, ключевы для этого.
«Изучая эти образцы, мы начнем видеть разные способы, которыми эти вирусы корректируют биогеохимические циклы, питающие процессы Земли», — говорит Салливан.
Лаборатория на лодке
На борту Tara Oceans устройство для отбора проб достигает целевой глубины около 1000 футов. Датчики регистрируют глубину, температуру, солёность и другие физические параметры.
В судовой лаборатории Дюэм пропускает воду через фильтры, достаточно плотные, чтобы улавливать мельчайшие вирусные частицы, концентрирует улов на фильтровальной бумаге, уникально маркирует и обрабатывает для хранения.
«Для каждой станции отбора проб у меня было, вероятно, 100 отдельных пробирок и фильтров», — говорит она. Образцы, требующие мгновенной заморозки, помещали в жидкий азот на борту.
Образцы отправлялись в European Molecular Biology Laboratory в Германии, а оттуда распределялись по лабораториям по всему миру.
«Мы — ключевая вирусная лаборатория, участвующая в Tara, поэтому мы получаем все вирусные образцы со всего мира», — говорит Дюэм.
«90% того, на что мы смотрим, вероятно, ново для науки», — добавляет Салливан. Если секвенировать все гены из сообщества океанских вирусов, подавляющее большинство не будет соответствовать ничему в базах данных.
Поскольку полное секвенирование геномов всех вирусов со всего океана prohibitively expensive, группа Салливана сосредотачивается на особенно многочисленной группе T4 фагов — широко распространённом семействе вирусов, заражающих бактерии.
Помимо анализа вирусных геномов, лаборатория Салливана разрабатывает новый метод quantitative electron microscopy, чтобы охватить и каталогизировать огромное разнообразие форм вирусов в океане.
От инициативы снизу до глобального охвата
То, что начиналось как grassroots initiative нескольких ученых в проекте Tara Oceans, выросло в глобальный консорциум из более 100 специалистов, включая океанографов, экологов, биологов и физиков из престижных лабораторий.
«Одна из красот этого проекта, где мы изучаем так много океанских образцов с помощью множества инструментов и экспертов, заключается в том, что у нас нет базовой информации о том, что там есть», — говорит Салливан. «Это возможность действительно начать с основ. Всё может случиться».