Инфицированный океан

Как морские фаги правят водами мира

Некоторые великие открытия поначалу кажутся заблуждением.

В 1986 г. Лита Проктор, аспирантка Нью-Йоркского университета в Стоуни-Брук, решила узнать, сколько вирусов обитает в морской воде. В то время общепринятым было мнение, что едва ли они вообще там могут быть. Те немногочисленные исследователи, которые снизошли до поисков вирусов в океане, обнаружили ничтожное количество. Большинство специалистов полагало, что в основном вирусы, найденные ими в морской воде, на самом деле попали туда из канализации и других наземных источников.

Но со временем стали появляться данные, которые не вписывались в общепринятые взгляды. Так, специалист по морской биологии Джон Сиберт опубликовал фотоснимок морской бактерии, извергающей новые вирусы. Проктор решила предпринять систематический поиск и узнать, сколько именно вирусов обитает в океане. Она отправилась в Карибское и Саргассово моря, собирая в ходе экспедиции пробы воды. Вернувшись на Лонг-Айленд, она тщательно извлекла из морской воды биологический материал и покрыла частицами металла, чтобы его было видно под лучом электронного микроскопа. Когда Проктор наконец взглянула на свои образцы, ее глазам предстал мир вирусов. Одни свободно плавали, другие скрывались внутри бактерий. Подсчитав численность вирусов в своих образцах, Проктор сделала вывод, что каждый литр морской воды содержит до 10 млрд вирусов.

Полученная Проктор цифра значительно превышала оценки предшественников. Но когда другие ученые продолжили ее исследования и провели собственные расчеты, у них получились сходные значения. Они находили вирусы, притаившиеся в глубоководных желобах, и вирусы, замурованные во льдах арктических морей. Ученые пришли к выводу, что в океане обитает примерно 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 вирусов.

Трудно найти объект для сравнения, чтобы представить себе, насколько это громадное число. Вирусов в океане в 100 млрд раз больше, чем песчинок на всех пляжах мира. Если взвесить все вирусы океанов, получится вес 75 млн синих китов (притом что всего на планете синих китов менее 10 000). А если выстроить все вирусы океана в цепочку, то цепочка растянется на 5,7 млн световых лет.

Эти цифры не означают, что морское купание равносильно смертному приговору. Лишь ничтожная доля вирусов из океана способна поражать людей. Некоторые морские вирусы заражают рыб и других морских животных. Но чаще всего их цель — бактерии и другие одноклеточные микроорганизмы. Пусть микробы невидимы невооруженным глазом, но в совокупности их намного больше, чем всех китов, коралловых рифов и прочих форм морской жизни, вместе взятых. И подобно тому, как бактерии, живущие в нашем организме, подвержены атаке фагов, точно так же морские бактерии становятся жертвами морских фагов.

Когда в 1917 г. Феликс д'Эрелль впервые обнаружил бактериофаги в выделениях французских солдат, многие ученые отказывались верить в их существование. Теперь, через сто лет, не подлежит сомнению, что д'Эрелль обнаружил самую многочисленную форму жизни на Земле. Более того, морские фаги оказывают масштабное влияние на планету. Они воздействуют на экологию Мирового океана. Они накладывают свой отпечаток на глобальный климат Земли. И вот уже миллиарды лет они играют важнейшую роль в эволюции жизни. Иными словами, они суть живая матрица биологии.

Морские фаги играют такую заметную роль благодаря своей чрезвычайной контагиозности. Они поражают новые микробные клетки 100 млрд трлн раз в секунду и ежедневно убивают от 15 до 40% всех бактерий в Мировом океане. Из погибших клеток-хозяев выходят новые морские фаги. В каждом литре морской воды ежедневно рождается до 100 млрд новых вирусных частиц.

Их убойная сила контролирует популяцию хозяев, и нам, людям, эта смертоносность часто служит на благо. Холеру, например, вызывает размножение обитающих в воде бактерий — вибрионов. Но на вибрионах паразитирует множество фагов. Когда происходит взрывообразный рост популяции вибрионов, запускающий эпидемию, размножаются и фаги. Популяция вирусов растет так быстро, что уничтожает вибрионы быстрее, чем они успевают размножаться. Бактериальный бум стихает, и эпидемия холеры идет на убыль.

Из погибшего микроба извергаются не только новые вирусы. Высвобождаются также органические соединения углерода и другие вещества. Ежегодно морские вирусы высвобождают миллиарды тонн углерода, и этот огромный приток оказывает воздействие планетарного масштаба. Он выполняет роль удобрения, стимулируя рост бесчисленных новых микроорганизмов, часть которых служит основой пищевой сети в океане. Эта пищевая сеть, вероятно, была бы беднее, если бы ее рост не стимулировали вирусы. Часть высвобождаемого углерода не поглощается микроорганизмами, а оседает на дно океана. Внутренности микроба липкие, и как только вирус разрывает хозяйскую клетку, клейкие молекулы выбираются наружу и захватывают находящиеся поблизости органические соединения, создавая мощную метель из подводного снега, падающего на морское дно.

Хозяева морских вирусов в ответ на эту угрозу защищаются на все лады. Но вирусы придумывают способы одолеть их. Поскольку у каждого вида собственный эволюционный путь спасения, эта гонка вооружений породила головокружительное разнообразие морских вирусов. В начале своих исследований Лита Проктор не представляла себе, сколько различных видов вирусов она открывает. Глядя в микроскоп, она могла пересчитать их, но видела лишь ограниченный набор форм — шары, цилиндры и т.п. Но в мире вирусов внешность обманчива. Риновирусы и вирус полиомиелита выглядят как почти одинаковые шарики, но первые вызывают легкую простуду, а вторые могут довести до паралича или смерти.

С начала 2000-х гг. вирусологи нашли способ различать их под масками, изучая непосредственно вирусные гены. Они принялись собирать образцы — морской воды, грязи или шмелиных внутренностей — и отфильтровывать из них все, кроме вирусов. Затем они извлекали из вирусов генетический материал и секвенировали его. Иногда прочитанные последовательности совпадали с какими-то известными видами или штаммами вирусов. Но гораздо чаще не совпадали. Куда бы ни заглядывали ученые, они находили ошеломляющее разнообразие вирусов. Даже в нашем собственном организме нас поджидали сюрпризы. В 2014 г. коллектив ученых под руководством Баса Дутила открыл в человеческих фекалиях новый тип фага, который назвали КрАсс-фагом (crAss — сокращенно от cross assembly, «перекрестная сборка», — метод воссоздания генетической последовательности вируса). Вскоре исследователи обнаружили множество других разновидностей вирусов, близких КрАсс-фагу и составляющих до 90% всех вирусов в человеческом кишечнике. И ведь они оставались незамеченными целых сто лет после того, как Феликс д'Эрелль открыл фаги.

А подлинный масштаб виросферы выявился именно в океанах. Мэтью Чапмен, вирусолог из Университета штата Огайо, совместно со своими коллегами анализировал генетический материал из морской воды, собранной в ходе кругосветной научной экспедиции. В 2016 г. они отчитались о более чем 15 000 новых видов вирусов. Для сравнения: число видов млекопитающих всего лишь около 6400. Чапмен и его сотрудники думали, что они достаточно точно оценили разнообразие вирусов в морях, но на всякий случай продолжали собирать образцы воды и изобретать новые способы выявления в ней вирусных генов. В 2019 г. они сообщили уже о 200 000 видов. Притом ими была обследована лишь малая часть океана. Всего же, по оценкам некоторых исследователей, на Земле могут обитать до 100 трлн видов вирусов — большинство из них в море.

Это разнообразие вирусов возникло благодаря их необычному способу размножения. Зараженные клетки синтезируют множество новых вирусных частиц, но делают это кое-как. Гены новых вирусов кишат ошибками копирования. Большинство этих мутаций делает вирусы нежизнеспособными, но некоторые из них дают вирусу эволюционное преимущество, позволяя более эффективно заражать хозяев. Если в клетку попадают одновременно два вида вирусов, они могут обменяться генами. Вирус способен даже прихватить с собой немного собственных генов хозяина, которые потом передаст новым хозяевам. По одной из оценок, ежегодно морские вирусы переносят между геномами своих хозяев триллион триллионов генов.

Благодаря горизонтальному переносу генов, возможно, именно вирусы обеспечили немалую долю мировых запасов кислорода. Значительная часть атмосферного кислорода вырабатывается фотосинтезирующими микроорганизмами в океанах. Некоторые вирусы, поражающие их, обладают собственными генами, отвечающими за фотосинтез. Внедрившись, вирусы берут на себя ответственность за добычу и преобразование света. По ориентировочным подсчетам, 10% всего фотосинтеза на Земле осуществляется с помощью вирусных генов. Сделайте десять вдохов — каждым десятым вы обязаны вирусу.

Этот обмен генами не только оказывает огромное влияние на современную Землю, но и делал это на протяжении всей истории живого. В конце концов, именно в океанах зародилась жизнь. Древнейшие следы жизни — это окаменелости морских микроорганизмов возрастом почти в 3,5 млрд лет. Именно в океанах возникли многоклеточные организмы — их древнейшим остаткам около 2 млрд лет. Наши собственные предки выбрались на сушу всего лишь 400 млн лет назад. Вирусы не оставляют окаменелых отпечатков, зато они оставляют следы в геномах своих хозяев. Эти следы указывают на то, что вирусы существуют миллиарды лет.

Ученые умеют прослеживать историю генов, сравнивая геномы видов, отделившихся от древнего общего предка. Это сопоставление позволяет, в частности, обнаружить гены, доставленные нынешнему хозяину вирусом, который существовал в незапамятные времена. Наука установила, что у всех живых существ геномы мозаичные — они включают сотни, даже тысячи генов, привнесенных вирусами. Как бы далеко в прошлое ни заглядывали исследователи, к самому основанию эволюционного древа, — во все времена вирусы переносили гены. Дарвину история живого представлялась в виде древа. Но история генов, по крайней мере применительно к микроорганизмам в океане и их вирусам, больше напоминает оживленную сеть торговых путей, простирающуюся на миллиарды лет в прошлое.