W ciągu jednego dnia, w spokojnych wodach jednego stawu, milion cząsteczek wirusa może dostać się do jednokomórkowego organizmu znanego z maleńkich włosków lub rzęsek, które napędzają go przez te wody.
W ciągu ostatnich trzech lat John DeLong z University of Nebraska-Lincoln był zajęty odkrywaniem potencjalnej tajemnicy, która może zmienić bieg wydarzeń: te cząsteczki wirusa są źródłem nie tylko infekcji, ale także odżywiania.
W zwrocie godnym Pac-Mana, DeLong i jego współpracownicy odkryli, że gatunek Halteria – mikroskopijne orzęski zamieszkujące słodkie wody na całym świecie – może zjadać ogromną liczbę zakaźnych chlorowirusów, które dzielą ich wodne środowisko. Po raz pierwszy eksperymenty laboratoryjne zespołu wykazały również, że dieta zawierająca wyłącznie wirusy, którą zespół nazywa „virovory”, wystarcza do napędzania fizjologicznego wzrostu, a nawet wzrostu populacji organizmu.
Wiadomo, że chlorowirusy, przełomowe odkrycie Jamesa Van Ettena z Nebraski, infekują mikroskopijne zielone algi. W końcu atakujące chlorowirusy rozerwały swoich jednokomórkowych żywicieli jak balony, wyrzucając węgiel i inne pierwiastki podtrzymujące życie do otwartej wody. Ten węgiel, który mógł trafić do drapieżników maleńkich stworzeń, zamiast tego zostaje odkurzony przez inne mikroorganizmy – ponury program recyklingu w miniaturze i pozornie na zawsze.
„To naprawdę po prostu zatrzymuje węgiel w tego rodzaju mikrobiologicznej warstwie zupy, powstrzymując pasących się zwierząt przed pobieraniem energii w łańcuchu pokarmowym” – powiedział DeLong, profesor nauk biologicznych w Nebrasce.
Ale jeśli orzęski jedzą te same wirusy na obiad, to virovory może stanowić przeciwwagę dla recyklingu węgla, o którym wiadomo, że wirusy utrwalają. Jest możliwe, powiedział DeLong, że virovory pomaga i ułatwia ucieczkę węgla z mętów łańcucha pokarmowego, zapewniając mu mobilność w górę, którą wirusy inaczej tłumią.
„Jeśli pomnożysz przybliżone oszacowanie liczby wirusów, orzęsków i wody, wyjdzie to na ogromną ilość ruchu energii (w górę łańcucha pokarmowego)” – powiedział DeLong, który oszacował, że orzęski w małym stawie mogą zjadać 10 bilionów wirusów dziennie. „Jeśli dzieje się to na taką skalę, jak sądzimy, powinno to całkowicie zmienić nasze spojrzenie na globalny obieg węgla”.
„Nikt tego nie zauważył”
DeLong był już zaznajomiony ze sposobami, w jakie chlorowirusy mogą zaplątać się w sieć pokarmową. W 2016 roku ekolog współpracował z Van Ettenem i wirusologiem Davidem Duniganem, aby wykazać, że chlorowirusy uzyskują dostęp do glonów, które normalnie są zamknięte w rodzaju orzęsków zwanych Paramecia, tylko wtedy, gdy maleńkie skorupiaki jedzą Paramecia i wydalają nowo odsłonięte glony.
To odkrycie postawiło DeLonga w „innej przestrzeni”, jeśli chodzi o myślenie i badanie wirusów. Biorąc pod uwagę obfitość wirusów i mikroorganizmów w wodzie, doszedł do wniosku, że nieuniknione jest, że – nawet pomijając infekcję – te pierwsze czasami trafiają do tych drugich.
„Wydawało się oczywiste, że wszystko musi przez cały czas dostawać wirusy do ust” – powiedział. „Wydawało się, że to musiało się wydarzyć, ponieważ w wodzie jest go tak dużo”.
Więc DeLong zagłębił się w literaturę naukową, chcąc wypłynąć na powierzchnię z wszelkimi badaniami nad organizmami wodnymi jedzącymi wirusy, a najlepiej, co się stało, kiedy to zrobili. Wyszedł z cenną niewielką ilością. Jedno z badań z lat 80. dowiodło, że jednokomórkowe protisty są zdolne do pochłaniania wirusów, ale nie zagłębiały się dalej. Kilka artykułów ze Szwajcarii wykazało później, że protisty zdawały się usuwać wirusy ze ścieków.
„I o to chodziło” — powiedział DeLong.
Nie było nic o potencjalnych konsekwencjach dla samych mikroorganizmów, nie mówiąc już o sieciach pokarmowych lub ekosystemach, do których należały. To zaskoczyło DeLonga, który wiedział, że wirusy są zbudowane nie tylko na węglu, ale także na innych podstawowych elementach życia. Byli, przynajmniej hipotetycznie, niczym innym jak niezdrowym jedzeniem.
“Składają się z naprawdę dobrych rzeczy: kwasów nukleinowych, dużo azotu i fosforu” – powiedział. „Wszystko powinno chcieć je zjeść.
„Tak wiele rzeczy zje wszystko, co wpadnie im w ręce. Z pewnością ktoś nauczyłby się jeść te naprawdę dobre surowce”.
Jako ekolog, który spędza większość czasu na matematyce do opisywania dynamiki drapieżnik-ofiara, DeLong nie był do końca pewien, jak zabrać się do badania swojej hipotezy. Ostatecznie zdecydował się zachować prostotę. Po pierwsze, potrzebowałby kilku ochotników. Pojechał do pobliskiego stawu i pobrał próbki wody. Po powrocie do swojego laboratorium zebrał wszystkie mikroorganizmy, z którymi mógł sobie poradzić, niezależnie od gatunku, w kroplach wody. Na koniec dodał hojne porcje chlorowirusa.
Po 24 godzinach DeLong przeszukiwał krople w poszukiwaniu znaku, że jakikolwiek gatunek wydawał się cieszyć towarzystwem chlorowirusa – że nawet jeden gatunek traktował wirusa mniej jako zagrożenie niż przekąskę. Znalazł go w Halterii.
„Na początku była to tylko sugestia, że jest ich więcej” – powiedział DeLong o orzęskach. „Ale wtedy były na tyle duże, że mogłem je złapać końcówką pipety, umieścić w czystej kropli i móc je policzyć”.
Liczba chlorowirusów gwałtownie spadła aż 100-krotnie w ciągu zaledwie dwóch dni. Populacja Halterii, która nie miała nic do jedzenia poza wirusem, rosła średnio około 15 razy w tym samym okresie. Tymczasem Halteria pozbawiona chlorowirusa w ogóle nie rosła.
Aby potwierdzić, że Halteria faktycznie konsumowała wirusa, zespół oznaczył część DNA chlorowirusa fluorescencyjnym zielonym barwnikiem przed wprowadzeniem wirusa do orzęsków. Rzeczywiście, orzęskowy odpowiednik żołądka, jego wakuola, wkrótce zaczął świecić na zielono.
Nie było wątpliwości: orzęski zjadały wirusa. I ten wirus ich podtrzymywał.
„Dzwoniłem do moich współautorów:„ Rosli! Zrobiliśmy to! ”- powiedział DeLong o odkryciach, teraz szczegółowo opisanych w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences. „Jestem podekscytowany, że po raz pierwszy mogę zobaczyć coś tak fundamentalnego”.
DeLong nie skończył. Jego matematyczna strona zastanawiała się, czy ta szczególna dynamika drapieżnik-ofiara, tak dziwna, jak się wydawała, może mieć wspólne cechy z większą liczbą par pieszych, do których studiowania był przyzwyczajony.
Zaczął od sporządzenia wykresu upadku chlorowirusa w stosunku do wzrostu Halteria. Ta zależność, jak stwierdził DeLong, ogólnie pasuje do tych, które ekolodzy zaobserwowali wśród innych mikroskopijnych łowców i ich zwierzyny. Halteria przekształciła również około 17% zużytej masy chlorowirusa w nową własną masę, dokładnie zgodnie z wartościami procentowymi obserwowanymi, gdy Paramecia zjada bakterie, a skorupiaki o długości milimetra jedzą algi. Nawet tempo, w jakim orzęski żerowały na wirusie, i około 10 000-krotna różnica w ich rozmiarach, zgadzają się z innymi studiami przypadków wodnych.
„Byłem zmotywowany do ustalenia, czy to było dziwne, czy też pasowało” – powiedział DeLong. „To nie jest dziwne. Po prostu nikt tego nie zauważył”.
Od tego czasu DeLong i jego współpracownicy zidentyfikowali inne orzęski, które podobnie jak Halteria mogą się rozwijać, jedząc wyłącznie wirusy. Im więcej odkrywają, tym bardziej prawdopodobne wydaje się, że wirus może występować na wolności. To perspektywa, która napełnia głowę ekologa pytaniami: w jaki sposób może kształtować strukturę sieci pokarmowych? Ewolucja i różnorodność gatunków w ich obrębie? Ich odporność w obliczu wymierania?
Ponownie jednak zdecydował się zachować prostotę. Gdy tylko zima w Nebrasce ustąpi, DeLong wróci nad staw.
„Teraz” – powiedział – „musimy dowiedzieć się, czy to prawda w naturze”.