Древние вирусные геномы, сохранившиеся в ледниках, раскрывают историю климата Земли и то, как вирусы адаптируются к изменению климата.

Поскольку люди изменяют климат и экосистемы планеты, ученые обращаются к истории Земли, чтобы помочь предсказать, что может произойти в результате изменения климата.С этой целью массивные ледяные структуры, такие как ледники, служат природные морозильники, архивируя подробные записи о климате и экосистемах прошлого, включая вирусы.

Мы команда микробиологи и палеоклиматологи который изучает древние микроорганизмы, в том числе вирусы, сохранившиеся во льду ледника.Вместе с нашими коллегами Лонни Томпсон, Вирджиния Рич и другие исследователи из Группа палеоклиматологии ледяного керна в Университете штата Огайо мы исследуем взаимодействие между вирусами и их средой, заархивированные в кернах льда из Ледник Гулия на Тибетском нагорье..

Связывая геномы древних вирусных сообществ с конкретными климатическими условиями, сохранившимися в ледниковом льду, наше недавно опубликованное исследование предлагает понимание того, как эти вирусы адаптировались к меняющемуся климату Земли за последние 41 000 лет.

Чтение истории вирусных генов

Мы прежде всего использованные метагеномы – коллекции геномов, которые фиксируют общее генетическое содержание всех микроорганизмов, присутствующих в образцах окружающей среды – для реконструкции вирусных геномов из девяти различных временных интервалов в ледяном керне Гулии.Эти временные горизонты охватывают три основных цикла от холода к потеплению, предоставляя уникальную возможность наблюдать, как вирусные сообщества меняются в ответ на различные климатические условия.

Благодаря нашим анализам мы восстановили геномы эквивалент 1705 видов вирусов, что увеличивает количество известных сохранившихся в ледниках древних вирусов более чем в пятьдесят раз.

Лишь около четверти Среди вирусных видов мы обнаружили общие сходства на видовом уровне с любым из вирусов, идентифицированных почти в 1000 метагеномах, ранее зафиксированных в глобальных наборах данных.Большинство из этих перекрывающихся видов также были с Тибетского нагорья.Это говорит о том, что по крайней мере некоторые вирусы, сохранившиеся в леднике Гулия, возникли локально в регионе, но это также говорит об относительном отсутствии ледниковых вирусов в доступных базах данных.

Используя эти новые эталонные геномы, мы попытались «прочитать» их истории.

Одним из ключевых выводов было то, что вирусные сообщества значительно различались между холодным и теплым климатическими периодами.Наиболее отчетливое сообщество вирусных видов на леднике появилось около 11 500 лет назад, что совпало с основным переходом от последнего ледникового этапа к голоцену.Это говорит о том, что уникальные климатические условия в холодные и теплые периоды глубоко повлияли на состав вирусных сообществ.Мы предполагаем, что эти влияния, вероятно, были вызваны вирусами из других мест, которые были занесены в результате изменения характера ветра и подверглись давлению отбора из-за изменения температуры на леднике.

Копнув глубже, мы затем определили, как вирусы взаимодействуют со своими хозяевами.Для этого мы использовали компьютерные модели для сравнения вирусных геномов с геномами других микробов, также встречающихся в этой среде.Мы обнаружили, что вирусы постоянно зараженный Флавобактерия, линия бактерий, обычно встречающаяся в ледниковой среде.

Мы также узнали, что вирусы на леднике Гулия должны «красть» гены у своих хозяев, чтобы манипулировать их метаболизмом.В вирусных геномах были закодированы 50 вспомогательных метаболических генов связанные с обменом веществ, включая синтез и расщепление витаминов, аминокислот и углеводов.Некоторые из этих генов присутствовали в изобилии во всех девяти изученных временных интервалах, что позволяет предположить, что они помогают микробам-хозяевам справляться с суровыми условиями на поверхности ледников и тем самым улучшают вирусную приспособленность.

Таким образом, вирусы не только заражают и убивают клетки, но, вероятно, также изменяют приспособленность своих хозяев во время заражения, в свою очередь влияя на их способность выживать в экстремальных условиях ледниковой среды.

Изменение климата с течением времени

Наши результаты предлагают новый взгляд на то, как жизнь в форме вирусов реагировала на климатические изменения на протяжении десятков тысяч лет.

Понимание этих древних взаимодействий предоставляет уникальную возможность для будущих исследований как в области вирусологии, так и в области климатологии.Изучая, как древние вирусы реагировали на изменения климата в прошлом, исследователи могут получить ценную информацию о том, как вирусы адаптируются к продолжающемуся глобальному изменению климата.

Мы считаем, что ледниковый лед, собирая информацию о микроорганизмах и их экосистемах с течением времени в каждом слое, остается важнейшим ресурсом для разгадки истории климата Земли и жизни, которую он поддерживает – особенно в качестве запасов ледникового льда. быстро уменьшаться.