Jedes Mal, wenn Sie einen Schluck Meerwasser schlucken, während Sie am Strand schwimmen, werden ungefähr so viele Viren übertragen, wie es Menschen in Nordamerika gibt.
Trotz der überwältigenden Zahl von Meeresviren - und der Schlüsselrolle, die diese Infektionserreger bei globalen Prozessen wie dem Kohlenstoffkreislauf zu spielen scheinen - wissen die Wissenschaftler immer noch relativ wenig über die Vielfalt der Viren, die es gibt. Im Jahr 2015 dokumentierte ein Team 5.476 verschiedene Arten von Viren im Ozean. Im Jahr 2016 aktualisierte das gleiche Team seine Anzahl auf 15.222.
In einer Studie, die diese Woche in Cell veröffentlicht wurde, stieg diese Zahl jedoch auf 195.728 verschiedene Viruspopulationen an, was einem mehr als zwölffachen Anstieg entspricht.
"Dies ist eine ziemlich erstaunliche Studie", sagte Louis-Marie Bobay, ein Mikrobengenomiker der Universität von North Carolina-Greensboro, der nicht an der Arbeit beteiligt war. "Wir wissen so wenig über die Virusökologie in weiten Teilen des Ozeans, und dies sind einige der beeindruckendsten und globalsten Daten, die jemals gesammelt wurden."
Der zwölffache Sprung wurde durch eine ehrgeizige globale Probenahmeexpedition und eine differenziertere Genomanalyse ermöglicht.
Obwohl die Ozeane 70 Prozent unseres Planeten bedecken, stammte das meiste Wissen über die marine Virusvielfalt bis vor einigen Jahren nur von wenigen gut untersuchten Orten. Dies änderte sich mit dem Projekt Tara Oceans, bei dem eine umfassendere Bestandsaufnahme der mikrobiellen und viralen Vielfalt der Meere durch weltweite Probenahmen angestrebt wurde. Die Schonerin Tara hat sich auf den Weg um den Ozean gemacht und Proben von der Oberfläche bis in die Tiefe und von Pol zu Pol gesammelt. Die neue Studie umfasste Proben von 43 Standorten in der Arktis, die in den Studien von 2015 und 2016 nicht verwendet wurden.
Ungefähr 40 Prozent der neuartigen Viruspopulationen stammten aus den neuen arktischen Proben. Der Rest stammte aus der erneuten Analyse von Tara-Proben, die für die früheren Studien verwendet wurden. "Die Algorithmen, mit denen wir virale Genome aus DNA-Stücken zusammensetzen, sind viel besser geworden", sagte Ann Gregory, eine Mikrobenökologin an der Katholischen Universität Leuven in Belgien und eine der Hauptautoren der Studie.
Gregory und ihre Kollegen setzten nicht nur DNA-Stränge aus Fragmenten zusammen, sondern suchten auch nach einer Möglichkeit, die Vielfalt der Virusgenome, die sie sahen, zu klassifizieren. Die Definition einer viralen „Art“ist umstritten, da sich Viren ungeschlechtlich vermehren und häufig die DNA untereinander und mit ihren Wirten austauschen. Da Viren nicht die notwendige Maschinerie enthalten, um sich unabhängig zu replizieren, betrachten einige Biologen Viren nicht einmal als vollständig "lebendig".
Statt der Spezies stufte Gregory die Viren in "Populationen" ein, in denen "innerhalb einer Gruppe mehr Gene fließen als zwischen Gruppen von Viren". Wenn sequenzierte Viren mindestens 95 Prozent ihrer DNA gemeinsam hatten, nannte sie sie Mitglieder derselben diskreten Population.
Diese Methode ergab fast 200.000 Populationen. Etwa 90 Prozent von ihnen konnten keiner bekannten viralen Taxonomie zugeordnet werden, was sie für die Wissenschaft völlig neu macht. Obwohl Viren traditionell nicht in Gattungen eingeteilt werden, wie Homo für Menschen oder Staphylococcus für Staphobakterien, gelangte Gregory zu dem Schluss, dass die Vielfalt der Populationen, die sie beprobten, in der Größenordnung vieler neuer Gattungen lag.
Darüber hinaus schlossen die Forscher auf die Existenz von fünf Virusgruppen auf Gemeindeebene, die auf der Grundlage von Temperatur und Tiefe unterschiedliche marine ökologische Zonen abbildeten: Arktis, Antarktis, gemäßigte und tropische Oberfläche, gemäßigter und tropischer Untergrund und tiefer Ozean. Innerhalb der Genome dieser Gemeinschaften fanden die Forscher Hinweise auf eine genetische Anpassung an jede ökologische Zone. "Die Temperatur war der größte Prädiktor für die Gemeindestruktur", sagte Ahmed Zayed, ein Doktorand an der Ohio State University, der die Analyse mit leitete. Unterschiedliche Temperaturen unterstützen verschiedene Arten von mikrobiellen Wirtsgemeinschaften, erklärte Zayed, und Viren passen sich entsprechend an.
Insgesamt stimmen die beobachteten Muster der Artenvielfalt bei Viren in gewissem Maße mit den etablierten ökologischen Trends überein. "Es gibt dieses Paradigma, dass die Vielfalt am Äquator am höchsten ist und sich verringert, wenn man sich den Polen nähert", sagte Zayed. Die Forscher stellten eine erhöhte Diversität am Äquator fest, fanden aber auch eine überraschende Vielfalt in der Arktis.
"Wir waren überrascht, die Arktis als Hotspot für die biologische Vielfalt zu sehen, was besonders wichtig ist, da diese Gewässer aufgrund des Klimawandels zu den sich am schnellsten verändernden auf dem Planeten gehören", sagte Matthew Sullivan, ein Mikrobiologe im Bundesstaat Ohio und leitender Autor des Studie. Gregory sagte, es müsse noch mehr geforscht werden, um zu verstehen, warum die Arktis so vielfältig ist, aber sie glaubt, dass dies möglicherweise mit den kleineren Wirtszellen zu tun hat, die in diesen kühlen Gewässern leben. "Kleinere Hosts bedeuten mehr Hosts, was für Viren eine größere Diversifizierungsmöglichkeit bedeuten könnte."
Ob die Forscher in ein paar Jahren einen weiteren großen Sortensprung erwarten, denkt Sullivan nicht. „Glaube ich, dass es noch mehr zu entdecken gibt? Sicher, aber ich bin zu diesem Zeitpunkt zuversichtlich, dass wir die zahlreichen Viren, die wir mit dieser Methode abfangen können, größtenteils erfasst haben, sagte er und fügte hinzu, "zumindest bis wir in völlig neue Umgebungen mit völlig unterschiedlichem Selektionsdruck gelangen."
Laut Curtis Suttle, einem mikrobiellen Ökologen an der University of British Columbia, spielen Viren eine wichtige Rolle in globalen biogeochemischen Kreisläufen, einschließlich des Kohlenstoffkreislaufs, bei dem sich Kohlenstoff zwischen der Biosphäre der Erde und der Atmosphäre bewegt. "Ich habe versucht, den Fall zu belegen, dass Meeresviren seit langem von entscheidender Bedeutung sind", sagte Suttle, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. „Es ist äußerst wichtig, diese Art von Daten in die Community zu bringen, um die Rolle von Viren in globalen Prozessen zu verstehen.“
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Suttle erklärte, dass die Ozeane derzeit ungefähr die Hälfte der vom Menschen verursachten Kohlenstoffemissionen absorbieren und die Menge des absorbierten Kohlendioxids weiter zunimmt. Viren beeinflussen den Sättigungsgrad: Laut Suttle werden täglich 20 bis 40 Prozent der globalen Bakterienpopulation durch Viren abgetötet. Wenn ein Bakterium durch eine Virusinfektion getötet wird, explodiert seine Zellwand. "Der gesamte Kohlenstoff, der die Bakterien dazu gebracht hat, in die Ozeane freigesetzt zu werden", sagte er, und ein Teil des Kohlenstoffs wird tief im Ozean gebunden.
Einige Wissenschaftler haben spekuliert, dass Viren eines Tages verwendet werden könnten, um den Kohlenstoffkreislauf zu optimieren und die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre zu verringern, so Suttle. Zayed, der sich während seines Studiums der Phagentherapie als Alternative zu Antibiotika zur Behandlung von Infektionen für Viren interessierte, nennt dieses potenziell riskante Geoengineering-Schema „Phagentherapie für die Umwelt“.
