Вирусы – новый фактор в экологии моря

Исследования образцов воды морей и пресноводных водоемов показали, что вирусы обнаруживаются в 0,8–4,3% всех бактериальных клеток. В инфицированных клетках вирусы заметны только на последних стадиях литической инфекции, поэтому полное число зараженных бактерий должно быть в 7–14 раз больше. Таким образом, по расчетам, вирусы ответственны за гибель клеток в 60% (а в анаэробных пресных водах – до 100%) случаев. Хотя это, скорее всего, завышенные результаты, т.к. зараженные бактерии могут быть съедены другими организмами до того, как литическая инфекция дойдет до последних стадий.

Влияние вирусов на планктон было проверено экспериментально. С этой целью из большого количества морской воды выделили и сконцентрировали все содержащиеся в ней вирусы и полученный концентрат добавили к образцам воды из прибрежной зоны и открытого моря. Увеличение численности вирусов на 20% снижало на 50% скорости фотосинтеза и роста бактерий. С другой стороны, такое снижение выживаемости одних микроорганизмов могло приводить к повышению численности других, не являющихся хозяевами для данного типа вирусов.

Если известны скорости размножения и деградации, то можно рассчитать время оборота вирусов в популяции. Это время, которое необходимо для полной замены существующих вирусов новыми. Для морских вирусов оно составляет от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от местообитания.

Скорость размножения вирусов в естественных условиях определить довольно трудно. Для ее оценки используют в основном следующие три метода.

Первый метод состоит в сравнении скорости деградации вирусов в нормальных сообществах и сообществах, в которых размножение вирусов подавлено, например, добавлением цианида. Скорость оборота, рассчитанная по полученным данным, составляет 1–2 ч. Десятикратное превышение численности вирусов над бактериями можно получить, если количество новых вирусов, высвобождающихся при разрушении зараженной клетки (объем литической вспышки), равно 50, время оборота составляет 1 день и ежедневно погибает 20% бактерий.

Во втором методе используют мечение вирусных нуклеиновых кислот радиоактивными изотопами. С помощью этого метода установили, что вблизи берегов Калифорнии и в арктических водах вирусы ответственны за 10–40% общей смертности бактерий и фитопланктона.

С помощью третьего метода удается одновременно определить и скорость размножения, и скорость исчезновения вирусов. Для этого из морской воды выделяют и концентрируют вирусы, метят их с помощью флюоресцентных красителей и помещают обратно в морскую воду. Затем по содержанию флюоресцирующих вирусов в пробах воды с помощью стандартных методик подсчета, обычно используемых при работе с радиоактивными изотопами, рассчитывают скорости распада и размножения. Этот метод позволил установить, что вблизи южных берегов Калифорнии скорость оборота морских вирусов составляет 1–2 дня, и вирусы ответственны практически за всю смертность бактерий.

Концентрация вирусов в воде зависит от баланса двух факторов: скорости размножения, определяющей скорость гибели клеток-хозяев, и скорости распада (деградации) вирусов. Под распадом понимают разные процессы: разрушение вирионов, поглощение их организмами, любой вывод вирусов из среды обитания, а также уменьшение со временем числа вирусных частиц, способных заражать клетки-хозяева. Обычно при старении вирион теряет способность к заражению клеток раньше, чем наступают заметные изменения его структуры. Поэтому потеря инфекционной способности – наиболее чувствительный показатель деградации вирусов. Измеряя скорости деградации вирусов, надо следить, чтобы их размножение было полностью подавлено, иначе получатся заниженные данные.

Оказалось, что скорость деградации морских вирусов зависит от их местообитания: в прибрежных водах, богатых питательными веществами и разнообразными организмами, она выше, чем в бедных органикой водах открытого моря.

В целом наиболее сильным разрушающим действием на вирусы обладает солнечный свет, точнее – его составляющие в диапазоне от ультрафиолета до синего света. Однако чувствительность к свету изменяется в широких пределах: некоторые вирусы под его действием разрушаются со скоростью 40–80% в час, другие – менее 10% в час. Как и следовало ожидать, вирусы, обитающие в хорошо освещенных водах, адаптировались к солнечному свету и переносят его значительно легче, чем вирусы из бедных солнечным светом районов. Поскольку свет хорошо поглощается водой, его роль особенно велика вблизи поверхности. Но циркуляция воды приводит к тому, что для особо чувствительных вирусов даже в зонах ослабленного освещения солнечная радиация оказывается более губительной, чем любые другие механизмы разрушения.

Бактерии обладают способностью восстанавливать поврежденную солнечным светом ДНК (это явление называется фотореактивацией). При этом зараженные вирусом клетки восстанавливают и ДНК вирусного происхождения. В результате даже в сильно освещенных областях, несмотря на потенциально высокую скорость деградации, большинство вирусов оказывается способным к продолжению инфекционного процесса.

Однако свет – не единственный фактор, приводящий к деградации вирусов. В некоторых случаях более важную роль (даже на ярком свету) играют бактерии, протисты и другие организмы, а также присутствующие в морской воде гидролитические ферменты. Эти факторы вызывают деградацию вирусов со скоростью 3–10% в час. Самая медленная деградация вирусов, 0,5–1% в час, наблюдается в кипяченой морской воде в темноте.

В опытах с культурами вирусов было обнаружено, что в любых условиях деградация вирусов никогда не бывает полной – в морской воде они даже через длительное время сохраняют способность к заражению бактерий, хотя и на очень низком уровне.

Роль вирусов в экологии моря

Итак, вирусы – наиболее многочисленные члены многих водных биоценозов, которые в подходящих условиях способны размножаться очень быстро, причем их размножение всегда связано с гибелью клеток-хозяев. Поскольку вирусы не способны активно искать хозяев, вероятности заражения клеток определяются простыми вероятностными законами. Поэтому чем многочисленнее те или иные организмы, тем выше вероятность их заражения. Отсюда следует, что главными жертвами вирусов в море должны быть бактерии и фитопланктон.

Обычно считают, что вирусы ответственны за 10–50% смертности бактерий в поверхностных водах и за 50–100% – в неблагоприятных для протистов условиях, например, в бедных кислородом водах озер. Когда плотность бактериальной флоры высока, смертность бактерий от вирусных инфекций может быть выше, чем вследствие выедания бактерий жгутиконосцами. Так, в прибрежных водах Калифорнии, в Беринговом и Чукотском морях полная смертность бактерий ниже скорости их размножения на 30–50%, при этом вирусы ответственны примерно за 40% случаев смертности бактерий. Считается также, что вирусы сильнее влияют на численность бактерий в эвтрофических зонах, чем в олиготрофических. Правда, есть данные, что в некоторых случаях вирусы практически не оказывали влияния на плотность бактериальной флоры.

Таким образом, вирусы обычно, хотя и не всегда, оказывают существенное влияние на численность бактерий.

Влияние вирусов на численность фитопланктона изучена хуже, чем их влияние на численность бактерий. Однако этот вид деятельности вирусов имеет гораздо большее значение, поскольку фитопланктон является основой всех морских цепей питания.

Морской фитопланктон состоит из прокариотов и эукариотов, причем вирусы могут поражать как тех, так и других. По данным электронной микроскопии в случаях, когда концентрация вирусов высока, они могут инфицировать 1–3% цианобактерий некоторых штаммов (Synochococcus sp.). У берегов штата Техас ежедневный лизис цианобактерий составляет 5–15%, а в умеренном климате Атлантики – не более 3%. Поскольку в культуре цианобактерии Synochococcus обычно устойчивы по отношению к сопутствующим вирусам, считается, что цианофаги поражают только определенные штаммы цианобактерий, влияя, таким образом, на состав популяции в большей степени, чем на ее плотность.

Морские вирусы способны заражать практически все виды фитопланктона, включая диатомовые водоросли, хризофиты, пирмнезиофиты, гаптофиты, рафидофиты и криптомонады. В природных водах обнаружено несколько видов вирусов, вызывающих гибель широко распространенного жгутиконосца Micromonas pusilla. Судя по этим данным, время оборота вирусов составляет 1,3 суток, а заражение ими M. pusilla может приводить к ежедневной гибели 2–10% популяции.

Вирусы, заражающие фитопланктон, весьма разнообразны. Так, в клетках M. pusilla были обнаружены вирусы пяти различных групп. Поскольку вирусные инфекции особенно распространены при высокой плотности популяций фитопланктона, они, по-видимому, должны оказывать влияние на такие вспышки численности фитопланктона, как «цветение» моря. К вирусам восприимчивы Aureococcus anophagefferans, вызывающие «бурые приливы» у северо-восточных берегов США, ядовитые рафидофиты Heterosigma akashiwo, приводящие к массовой гибели рыб, а также широко распространенные Phaeocystis pouchetii и Emiliana huxleyi.

E. huxleyi является одним из главнейших производителей кальцитов (в форме кокколитов), т.е. играет важную роль в круговороте углерода в природе. Кроме того, E. huxleyi выделяет газ диметилсульфид (ДМС), который может оказывать влияние на климат. По данным электронной микроскопии до 50% всех клеток E. huxleyi при окончании «цветения» воды были заражены вирусами, при этом вирусы были ответственны за 25–100% смертности этих водорослей.

Итак, вирусы могут в значительной степени влиять на численность бактерий и фитопланктона. Как же это сказывается на экосистеме в целом?

Литическая инфекция приводит к тому, что зараженные клетки превращаются в вирусы и продукты распада самих клеток. Продукты распада представляют собой помимо неорганических соединений молекулы мономеров, олигомеров и полимеров органических соединений, а также коллоидные частицы и целые фрагменты клеток. Большую часть этих продуктов распада вместе с вирусами обычно называют «растворенной органикой».

Какова же судьба растворенной органики? Естественно предположить, и наблюдения это подтверждают, что она поглощается в основном бактериями, а также более крупными протистами. При этом доля вирусов, непосредственно съеденных, например, жгутиконосцами, очень невелика. Если лизису подверглась бактериальная клетка, то продукты ее распада легко усваиваются другими бактериями. Таким образом в пищевом цикле образуется дополнительная «бактериальная» петля, которая к тому же подпитывается извне растворенной органикой, образующейся при гибели фитопланктона и протист. В результате остальная, небактериальная, часть пищевой сети лишается притока органических питательных веществ, поэтому биомасса и продуктивность верхних ярусов пищевой пирамиды уменьшаются.

Точно так же лизис фитопланктона под действием вирусов лишает питания вышестоящие звенья пищевых цепей и приводит к перераспределению органического вещества в пользу фитопланктона.

Увеличение численности бактерий и вирусов и накопление растворенной органики приводит к обогащению эвфотической зоны питательными веществами, в частности азотом, фосфором и железом, которые могут ограничивать рост биомассы системы. В отсутствие вирусов увеличивается биомасса более крупных организмов, которые быстрее, чем мелкие бактерии и вирусы, оседают на дно и выводят таким образом питательные вещества из поверхностных слоев моря. С другой стороны, высокомолекулярные продукты распада клеток придают морской воде свойства геля и могут ускорять агрегацию и осаждение органических частиц, т.е. также могут способствовать выводу питательных веществ из поверхностных вод.

Роль вирусов не ограничивается только изменением численности видов различных организмов. Они могут влиять и на формирование глобального климата. Это связано с тем, что некоторые микроорганизмы, например E. huxleyi, P. pouchetti, M. pusilla, в больших количествах содержат ДМС, который высвобождается при лизисе клеток. Что будет дальше с ДМС – попадет он в атмосферу или будет усвоен другими микроорганизмами, – зависит от конкретной структуры пищевых цепей. Попадая же в атмосферу, ДМС вызывает образование облаков.

До сих пор речь шла о численности бактерий вообще. Но вирусы в большей степени влияют на видовое разнообразие бактериальных сообществ, чем на их численность. Это стало ясным после появления методики секвенирования (определения последовательности нуклеотидов) рибосомальной 16S-РНК, с помощью которой стало возможным определение видового разнообразия даже в тех случаях, когда организмы не удается культивировать.

Теоретический анализ показал, что максимальное число бактериальных популяций в пространственно однородной среде равно числу потенциально лимитирующих ресурсов плюс число уникальных типов вирусов.

Даже если вирусы приводят к незначительному увеличению смертности организмов, они могут оказывать существенное влияние на относительную численность различных видов организмов в сообществе. Поскольку вирусы перемещаются пассивно, они чаще заражают клетки, плотность которых выше. Поэтому редко встречающийся вид-хозяин менее подвержен инфекции, чем более распространенный.

При увеличении плотности популяции какого-либо вида-хозяина численность литического вируса начнет расти, если время, необходимое для случайной встречи вируса с клеткой-хозяином, в среднем меньше времени, в течение которого вирус сохраняет инфекционную способность.

Сказанное выше позволяет решить так называемый парадокс Хатчинсона: каким образом в системе с малым числом лимитирующих ресурсов стабильно сосуществует большое число различных видов фитопланктона, ведь теоретически должен был бы остаться лишь один, наиболее конкурентоспособный вид. На самом деле вид, имеющий преимущества перед другими и начавший быстро размножаться, становится особенно восприимчивым к вирусной инфекции, которая и ограничивает его численность.

Очень важно, что видовое разнообразие вирусов само зависит от видового разнообразия клеток-хозяев. В результате плотность популяций различных вирусов колеблется в зависимости от плотности популяций их хозяев, что и обеспечивает стабильность видового разнообразия сообществ микроорганизмов.

Помимо плотности популяций на численность вирусов влияет сопротивляемость клеток-хозяев заражению. То, что бактерии могут приобретать устойчивость к заражению вирусами, известно давно, но по отношению к морским гетеротрофам и вирусам это прямо не показано. Однако, учитывая этот фактор, удается лучше согласовать теоретические модели с результатми наблюдений.

Почему же устойчивость к вирусным инфекциям не становится определяющим фактором в микробных сообществах, хотя теоретически так должно быть? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос нет. Одно из предположений состоит в том, что приобретение такой устойчивости приводит к потере организмом других важных в конкуретной борьбе свойств, т.е. с этой точки зрения обходится организму слишком дорого. Однако лабораторные эксперименты показали, что бактерии могут приобретать устойчивость без всяких потерь или с минимальными потерями других свойств. Поэтому неясность в этом вопросе остается.

Из другой, более умозрительной теории следует, что сохранение восприимчивости к вирусной инфекции в бедной питательными веществами среде может быть выгодно клетке-хозяину: каждый вирус имеет в своем составе нуклеиновые кислоты и белки, богатые лимитирующими элементами питания. Но в этом случае нужно, чтобы заражение вирусом большей частью было неуспешным – после прилипания вируса к клеточной поверхности и впрыскивания нуклеиновой кислоты в клетку инфекция каким-либо образом должна прерываться. Тогда клетка получает возможность переварить вирусные белки и нуклеиновые кислоты.

Еще одно объяснение отсутствия широкого распространения устойчивости к вирусам состоит в том, что бактериальное сообщество сильно выигрывает от наличия вирусных инфекций, поскольку они позволяют отобрать значительную часть ресурсов у более крупных организмов: бактерии, которые могли быть съедены этими организмами, вместо этого разрушаются вирусами и становятся пищей для других бактерий. Однако это не объясняет, почему отдельной бактерии не выгодно приобрести иммунитет к вирусам: пусть другие бактерии разрушаются и становятся для нее пищей.

Таким образом, все же остается непонятным, почему у бактерий не развивается устойчивость к вирусным инфекциям. Возможно, что иммунитет к вирусным инфекциям как-то связан с лизогенией и псевдолизогенией.

Лизогения обычно рассматривается как стратегия выживания вируса при низкой плотности популяции хозяина. В то же время она может давать существенные преимущества клетке-хозяину, поскольку защищает ее от инфицирования родственными вирусами и может придавать клетке новые свойства, закодированные в геноме вируса (так называемая конверсия). В морской и озерной воде лизогены (бактерии, несущие профаг и в подходящих условиях переходящие к литической инфекции) вполне обычны. Их численность сильно меняется со временем, зависит от места и может составлять до 40% от полного числа клеток.

Переход лизогенов к литической инфекции может быть вызван как различными естественными причинами, так и наличием наиболее рапространенных загрязнителей вод: углеводородов, полихлоридов, бифенилов и т.п. Однако в экспериментах естественные факторы, например яркий солнечный свет, редко вызывали переход лизогенов к литическому циклу. Эти эксперименты показали также, что подавляющее большинство вирусов (97% и более) в морской воде появляются как следствие литической инфекции.

Помимо указанной выше роли лизогения может играть существенную роль в генетическом обмене между микроорганизмами и их эволюции. Генетический обмен может идти различными путями. Один из них – трансдукция, при которой вирус захватывает часть ДНК клетки-хозяина и передает ее новому хозяину, часто лизогену. Общий эффект такого обмена на больших отрезках времени сводится к перемешиванию генов восприимчивых к вирусу хозяев.

При лизисе клетки ее содержимое, включая ДНК, попадает в воду, откуда может попасть в другие организмы естественным путем. Растворенную ДНК – продукт лизиса клеток – часто обнаруживают в морской воде.

Наконец, было показано, что некоторые вирусы способны к неспецифическому горизонтальному переносу генов.

Последние два механизма приводят к эффективному перемешиванию генов у большого числа разнообразных организмов, что может иметь далеко идущие последствия в их адаптации и эволюции.

Из всего сказанного выше ясно следует, что роль вирусов в экологии моря далеко не пассивна, как можно было бы предполагать. Вирусы оказывают существенное влияние на многочисленные биогеохимические процессы в море, эффективно регулируют численность и видовое разнообразие бактерий и фитопланктона и даже участвуют в формировании глобального климата. Однако изучение морских вирусов только началось, и нерешенных проблем в этой области науки еще очень много.