Вирусы могут служить пищей для инфузорий
В массовом сознании вирусы ассоциируются прежде всего с болезнями и опасными эпидемиями. До недавнего времени и биологи были склонны думать о них почти так же, то есть как о внутриклеточных паразитах и возбудителях заболеваний. Идея, что кто-то может питаться вирусами, не воспринималась всерьез. Конечно, было очевидно, что вирусные частицы могут заглатываться некоторыми простейшими, — как и то, что вирусы могут быть хорошим источником белков, нуклеотидов и иногда липидов (исходя из их состава). Однако считалось, что заглатывание вирусов одноклеточными эукариотами не вносит значимого вклада в пищевые цепочки, так как суммарная масса вирусов мала по сравнению с другими источниками пищи. Поэтому вирусы условно помещались на самую верхушку пищевой цепи — наравне со специализированными паразитами, крупными хищниками и людьми.
Рис. 1. Главные герои новости — инфузория Halteria (слева) и хлоровирус (справа, показана модель капсида; см. Chlorovirus). Изображения приведены без соблюдения масштаба — на самом деле размер вируса на два порядка меньше размера инфузории. Изображения с сайта en.wikipedia.org.
Группа исследователей из Университета Небраски в Линкольне решила поставить эту позицию под сомнение и проверить, могут ли инфузории питаться только лишь вирусами и насколько такой «корм» будет для них сытным. Для этого они взяли инфузорий, относящихся к родам Halteria и Paramecium (вторые — это обычные инфузории туфельки) и разделили их на опытную и контрольную «группы», если можно так выразиться. Опытный материал посеяли на чашки Петри с раствором хлоровируса — вируса, поражающего зеленые водоросли Chlorella и в большом количестве присутствующего в естественных водоемах (см. Chlorovirus, рис. 1). Инкубация инфузорий с вирусами длилась два дня, в течение которых ученые периодически подсчитывали численность тех и других.
Оказалось, что инфузория Halteria не только снижает количество вируса в растворе (проще говоря, поедает его в значительных количествах), но еще и сама активно размножается в присутствии вируса (рис. 2, A, C), чего не наблюдается в контрольных условиях. Любопытно, что инфузория Paramecium оказалась неспособна питаться вирусами — в эксперименте с ней не наблюдалось ни активного размножения (рис. 2, D), ни значимого снижения содержания вируса в среде (рис. 2, B). Видимо, способность поедать вирусы зависит от конкретного вида инфузории.
Рис. 2. Слева — графики численности «хищников» (инфузорий, в клетках) и «жертв» (хлоровирусов, в бляшкообразующих единицах). Каждая тонкая линия — отдельное наблюдение (поэтому их много), толстая линия — средняя величина. A, B — численность вирусов в присутствии инфузорий Halteria и Paramecium, соответственно. Заметно, что численность вируса («жертвы») снижается гораздо быстрее в присутствии инфузорий Halteria. C, D — сопутствующий рост инфузорий (черная линия — с «подкормкой» вирусом, синяя линия — в контрольных условиях). Заметно, что Halteria активно размножается, если ее кормить одним только вирусом, чего не скажешь о Paramecium — вирусы она, по-видимому, тоже ест, но расти на них не может. Справа — флуоресценция различных простейших (включая Halteria на изображении F) после «кормления» флуоресцентными хлоровирусами. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS.
Чтобы убедиться, что Halteria действительно питается вирусами, ученые дополнительно покрасили хлоровирус флуоресцентным красителем и скормили его инфузории. Полученное свечение клеток инфузорий (рис. 2, F) не оставило сомнений в том, что они способны активно поглощать вирусы.
Исследовав динамику численности инфузорий и вирусов, ученые обнаружили, что она хорошо описывается моделью Лотки — Вольтерры для взаимоотношений «хищник — жертва» (с вирусом в роли жертвы и инфузорией в роли хищника, рис. 3). Это дало им возможность косвенно оценить «пищевую ценность» вирусов для инфузорий по экологической эффективности, которая показывает прирост биомассы хищника в процентах от съеденной биомассы жертвы.
Именно показатель экологической эффективности имеют в виду, когда говорят что-то вроде «на 1 кг барана приходится 10 кг травы» (как выразился Фредерик Лисак в книге «Горы: путеводитель для маленьких любителей гор»). Это же выражение позволят легко понять еще одну особенность экологической эффективности: обычно она сравнительно низка, и прирост биомассы хищника составляет лишь малую долю от прироста биомассы жертвы).
Рис. 3. Вверху — динамика популяции Halteria (слева) и хлоровируса (справа). Каждая из тонких цветных линий — это отдельная модель, сгенерированная методом бутстреп (bootstrap). Сравните с типичной динамикой популяций хищника и жертвы в модели Лотки — Вольтерры (внизу). Изображения из обсуждаемой статьи в PNAS и с сайта ru.wikipedia.org
Экологическая эффективность составила целых 17%, что является неплохим показателем для водных экосистем — в них показатель эффективности колеблется от 10% (у некоторых ветвистоусых раков) до 30% (у нано/микрофлагеллят и инфузорий, см. D. Straile, 2003. Gross growth efficiencies of protozoan and metazoan zooplankton and their dependence on food concentration, predator-prey weight ratio, and taxonomic group). Это ясно показывает, что вирусы играют важную роль в экосистеме именно как жертвы, которых можно съесть, — и довольно питательные жертвы.
В ближайшей перспективе это открытие заставит ученых пересмотреть роль вирусов в пищевых цепях и сетях. Ранее господствовало представление о «вирусном шунте» (viral shunt) — «коротком замыкании» вирусами пищевых цепей в водных экосистемах в обход хищников (за счет вызванной этими вирусами гибели продуцентов). Новая работа показывает, что вирусы, даже поражая хозяев, способны переносить их энергию и вещество на более высокие трофические уровни, будучи съедены хищниками (рис. 4). С учетом относительно высокой концентрации вирусов в водной среде перед нами открывается новый экологический процесс, который нам только предстоит осмыслить.
Рис. 4. Принцип работы «вирусного шунта» состоит в том, что вирусы убивают клетки и превращают их в клеточный «мусор», который сразу становится добычей редуцентов, минуя хищников (красные стрелки). Зеленые стрелки показывают, как «вирусный шунт» может работать с учетом обсуждаемой статьи: вирусы при размножении потребляют энергию и вещество хозяина, которые они затем «передают» дальше по пищевой цепи, будучи съедены хищниками, — например, инфузорией Haltertia. Рисунок © Георгий Куракин
Источник: John P. DeLong, James L. Van Etten, Zeina Al-Ameeli, Irina V. Agarkova, and David D. Dunigan. The consumption of viruses returns energy to food chains // PNAS. 2023. DOI: 10.1073/pnas.2215000120.
Георгий Куракин, Элементы.