Более чем в 2 км под поверхностью океана, где темные, богатые минералами, водные «облака» вырываются из трещит в океаническом дне, невидимые «армии» вирусов и бактерий ведут ожесточённую войну. Подобно пиратам, охотящимся за кораблями с сокровищами, вирусы заражают бактериальные клетки с целью заполучения крошечных капелек серы, содержащихся внутри бактериальных клеток.
Вместо того, чтобы «скрыться с награбленным», вирусы вынуждают бактерии сжигать свои ценные запасы серы, а затем использовать выпущенную энергию для репликации. По словам микробиолога и океанографа Gregory Dick из University of Michigan, команда которого производила сбор ДНК глубинных микробов в выборках морской воды с гидротермальных источников западной части Тихого океана и Калифорнийского залива, результаты исследований показали, что вирусы в темных глубинах океанов косвенно имеют доступ к обширным источникам энергии, представленной элементарной серой.
По словам Karthik Anantharaman из University of Michigan, который является первым автором статьи о результатах проведенного исследования, опубликованной на этой неделе в журнале «Science Express», он и его коллеги подозревают, что эти вирусы по существу «грабят» бактериальные клетки, заставляя их потреблять элементарную серу, что обеспечивает их необходимыми для размножения условиями.
Подобные микробные взаимодействия наблюдались в мелких океанических водах между фотосинтезирующими бактериями и вирусами, охотящимися на них. В рамках описываемого исследования учёным впервые удалось идентифицировать такие отношения в химически синтезирующих системах, в которых микробы в качестве источника энергии полагаются исключительно на неорганические составы, а не на солнечный свет.
По словам David Garrison, директора программы Division of Ocean Sciences Национального научного фонда, финансировавшего исследование, вирусы играют важную роль в биохимических процессах океанического мелководья. Он отмечает, что вирусы могут играть подобную роль и в глубоководных условиях гидротермальных источников.
Полученные результаты предполагают, что вирусы — это важный компонент процветающих экосистем, обосновавшихся вокруг гидротермальных источников. По словам Gregory Dick, результаты указывают на то, что вирусы действуют как «агенты развития» в этих химически синтезирующих системах, обмениваясь генами с бактериями. Они могут служить резервуаром генетического разнообразия, что помогает формировать бактериальную эволюцию.
Учёные собрали пробы воды в Eastern Lau Spreading Center Западного Тихого океана и в Guaymas Basin Калифорнийского залива. Пробы были взяты на глубинах более чем 2 км вблизи гидротермальных источников, извергающих богатую минералами морскую воду температурой более 500 по Фаренгейту. В лаборатории исследователи почти полностью реконструировали вирусные и бактериальные геномы из фрагментов ДНК, полученных в шести гидротермальных источниках. Помимо потребляющей серу бактерии SUP05, они нашли гены ещё пяти ранее неизвестных вирусов.
Генетические данные свидетельствуют о том, что вирусы охотились на SUP05. По словам Gregory Dick, это было прогнозируемо, так как вирусы являются самыми распространёнными биологическими объектами в океанах, которые являются причиной большинства смертей среди морских микроорганизмов. Микробиолог признается, что он и его коллеги были удивлены в большей степени тем, что вирусная ДНК содержит гены, тесто связанные с генами SUP05, используемыми для извлечения энергии из соединений серы.
Когда результаты исследования были сопоставлены с данными предыдущих исследований, было установлено, что, вероятнее всего, вирусы вынудили бактерии SUP05 использовать вирусные гены для аккумуляции капель элементарной серы. Вирусные гены, подобные SUP05, называют вспомогательными метаболическими генами.
По слова соавтора научной публикации Melissa Duhaime из University of Michigan, в ходе исследования была выдвинута гипотеза, согласно которой вирусы увеличивают бактериальное потребление элементарной серы в своё благо. В ходе метаболических реакций образуется энергия, которую вирусы могут использовать для репликации и размножения.
Все известные формы жизни нуждаются в источнике углерода и энергии. Энергия приводит в действие химические реакции, в ходе которых на основе углеродистых соединений происходит формирование сложных клеточных компонентов. На поверхности Земли именно солнечный свет восполняет потребности в энергии, которая позволяет растениям поглощать углекислый газ из воздуха и использовать его для создания глюкозы и прочих органических молекул в процессе фотосинтеза. Солнечный свет не способен проникать в глубины океанов, таким образом, микробы часто вынуждены полагаться на альтернативные источники энергии. Вместо фотосинтеза они зависят от химического синтеза. Они синтезируют органические вещества, используя энергию, полученную из неорганических химических реакций — в данном случае с участием соединений серы.
Сера, вероятно, является одним из первых источников энергии на планете, которую микроорганизмы научились использовать в своих целях.
По словам Dick, новые результаты исследований помогут учёным понять, как морские биогеохимические циклы, в том числе цикл серы, будут реагировать на глобальные экологические изменения, такие как постоянное расширение «мёртвых зон».
Бактерии SUP05, которые, как известно, производят парниковый газ закись азота, вероятно, расширят свой диапазон, в то время как океанические зоны, испытывающие недостаток кислорода, продолжат увеличиваться в размерах.
