In Gletschern konservierte alte Virusgenome enthüllen die Klimageschichte und wie sich Viren an den Klimawandel anpassen

Während der Mensch das Klima und die Ökosysteme des Planeten verändert, blicken Wissenschaftler auf die Erdgeschichte zurück, um die möglichen Folgen des Klimawandels vorherzusagen. Zu diesem Zweck dienen massive Eisstrukturen wie Gletscher als natürliche Gefrierschränke und archivieren detaillierte Aufzeichnungen vergangener Klimazonen und Ökosysteme, einschließlich Viren.

Wir sind ein Team von Mikrobiologen und Paläoklimatologen, die antike Mikroorganismen, insbesondere im Gletschereis konservierte Viren, untersuchen. Mit unseren Kollegen Lonnie Thompson, Virginia Rich und anderen Forschern der Ice Core Paleoclimatology Group an der Ohio State University untersuchen wir die Wechselwirkungen zwischen Viren und ihrer Umgebung, die in Eiskernen des Guliya-Gletschers auf dem tibetischen Plateau archiviert sind.

Durch die Verknüpfung der Genome alter Virusgemeinschaften mit spezifischen klimatischen Bedingungen im Gletschereis bietet unsere neu veröffentlichte Forschung Einblicke in die Art und Weise, wie sich diese Viren in den letzten 41.000 Jahren an das sich verändernde Klima der Erde angepasst haben.

Lesen Sie die Geschichte in viralen Genen

Wir verwendeten hauptsächlich Metagenome (Genomsammlungen, die den gesamten genetischen Inhalt aller in Umweltproben vorhandenen Mikroorganismen erfassen), um virale Genome aus neun verschiedenen Zeitintervallen im Guliya-Eiskern zu rekonstruieren. Diese Zeithorizonte umfassen drei große Kalt-Warm-Zyklen und bieten eine einzigartige Gelegenheit zu beobachten, wie sich Virusgemeinschaften als Reaktion auf unterschiedliche klimatische Bedingungen veränderten.

Durch unsere Analysen haben wir die Genome des Äquivalents von 1.705 Virusarten geborgen und damit die bekannten, von Gletschern konservierten alten Viren um mehr als 50 vervielfacht.

Nur etwa ein Viertel der von uns gefundenen Virusarten hatten Ähnlichkeiten auf Artenebene mit einem der Viren, die in fast 1.000 Metagenomen identifiziert wurden, die zuvor in globalen Datensätzen erfasst wurden. Die meisten dieser sich überschneidenden Arten stammten ebenfalls aus dem tibetischen Plateau.

Dies deutet darauf hin, dass zumindest einige im Guliya-Gletscher konservierte Viren aus der Region stammen, es deutet aber auch auf den relativen Mangel an Gletscherviren in den verfügbaren Datenbanken hin.

Mithilfe dieser neuen Referenzgenome versuchten wir, ihre Geschichten zu „lesen“.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse war, dass sich die Virusgemeinschaften zwischen kalten und warmen Klimaperioden erheblich unterschieden. Die ausgeprägteste Gemeinschaft viraler Arten auf dem Gletscher entstand vor etwa 11.500 Jahren, zeitgleich mit dem großen Übergang vom letzten Gletscherstadium zum Holozän.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die besonderen klimatischen Bedingungen der Kalt- und Warmperioden die Zusammensetzung der Virusgemeinschaften tiefgreifend beeinflusst haben. Wir gehen davon aus, dass diese Einflüsse wahrscheinlich auf Viren zurückzuführen sind, die aus anderen Regionen stammen, durch Änderungen der Windmuster transportiert werden und aufgrund von Temperaturänderungen auf dem Gletscher einem Selektionsdruck unterliegen.

Indem wir tiefer gruben, stellten wir dann fest, wie die Viren mit ihren Wirten interagierten. Dazu haben wir mithilfe von Computermodellen die Virusgenome mit den Genomen anderer Mikroben verglichen, die ebenfalls in dieser Umgebung vorkommen. Wir fanden heraus, dass die Viren durchweg Flavobacterium infizierten, eine Bakterienlinie, die häufig in eiszeitlichen Umgebungen vorkommt.

Wir haben auch erfahren, dass Guliya-Gletscherviren ihren Wirten Gene „stehlen“ müssen, um ihren Stoffwechsel zu manipulieren. Virale Genome enthalten 50 zusätzliche Stoffwechselgene, die mit dem Stoffwechsel zusammenhängen, einschließlich der Synthese und dem Abbau von Vitaminen, Aminosäuren und Kohlenhydraten. Einige dieser Gene waren in allen neun untersuchten Zeitintervallen reichlich vorhanden, was darauf hindeutet, dass sie mikrobiellen Wirten dabei helfen, mit den rauen Bedingungen auf Gletscheroberflächen zurechtzukommen, und so die Viruskapazität steigern.

Somit infizieren und töten Viren nicht nur Zellen, sondern verändern wahrscheinlich auch die Fitness ihrer Wirte während der Infektion und beeinflussen dadurch ihre Fähigkeit, unter den extremen Bedingungen eiszeitlicher Umgebungen zu überleben.

Klimawandel im Laufe der Zeit

Unsere Ergebnisse bieten eine neue Perspektive darauf, wie Leben in Form von Viren über Zehntausende von Jahren auf den Klimawandel reagiert hat.

Das Verständnis dieser alten Wechselwirkungen bietet eine einzigartige Gelegenheit für zukünftige Forschung in der Virologie und Klimatologie. Durch die Untersuchung der Reaktion alter Viren auf vergangene Klimaveränderungen können Forscher wertvolle Erkenntnisse darüber gewinnen, wie sich Viren an den aktuellen globalen Klimawandel anpassen.

Wir glauben, dass Gletschereis durch die Erfassung von Informationen über Mikroorganismen und ihre Ökosysteme im Laufe der Zeit in jeder Schicht eine entscheidende Ressource für die Aufklärung der Geschichte des Erdklimas und des Lebens darauf bleibt, insbesondere da die Gletschereisreserven rapide abnehmen.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.