8 دقیقه
ویروسها اغلب خبرسازِ بیماریها هستند، اما در اقیانوس آزاد بسیاری از آنها موتورهای حیاتیِ حیات محسوب میشوند. کار میدانی تازه در اطلس نیمهگرمسیری نشان میدهد که شکستن سلولها توسط ویروسها میتواند بازچرخانی مواد مغذی را تسریع کند، فتوسنتز را تحریک کند و نواری از آب غنی از اکسیژن را پایدار نگه دارد — به عبارتی شکارچیان میکروسکوپی به معماران اکوسیستم تبدیل میشوند.
From invisible particles to ecosystem players
ویروسها بسیار ریز هستند — معمولاً تنها چند ده نانومتر عرض دارند و بسیار کوچکتر از باکتریها یا حتی یک تار مو به شمار میروند — به همین دلیل برای دههها در آب دریا نادیده گرفته میشدند. پیشرفتهای میکروسکوپ الکترونی در اواخر قرن بیستم این تصویر را تغییر داد. وقتی محققان آب دریا را با بزرگنمایی بالا مشاهده کردند، نه تنها چند ذره ویروسی، بلکه دهها میلیون ذره در هر میلیلیتر یافتند. این کشف فهم ما از بومشناسی میکروبی دریایی و نقش ویروسهای دریایی در چرخه مواد مغذی را دگرگون کرد.
نمای میکروسکوپ الکترونی نمونههایی از مایووویروسهای Prochlorococcus را نشان میدهد. تصاویر A و D ویروسهای مختلفی را همراه با دمهایشان نشان میدهند. در تصاویر B و C دم منقبض شده است. نوار مقیاس سیاه طول ۱۰۰ نانومتر را نشان میدهد.
بیشتر ویروسهای دریایی میزبانهای میکروبیِ پایهای شبکه غذایی اقیانوس را مورد حمله قرار میدهند: باکتریها و جلبکهای تکسلولی. این میکروبها تقریباً نیمی از فتوسنتز جهانی را انجام میدهند و نقش کلیدی در چرخههای کربن و عناصر مغذی دارند. دانشمندان مفهوم «شانت ویروسی» (viral shunt) را برای توصیف سازوکاری توسعه دادند که در آن ویروسها با لیز کردن سلولهای میکروبی، کربن و مواد مغذی را از شکلهای ذرهای (مثل سلولهای زنده) به مخازن آلی حلشده و ذرهای بازمیگردانند. این مواد آزادشده سپس در دسترس سایر میکروارگانیسمها قرار میگیرند و عملاً انرژی و مواد مغذی را از مسیرهای اکولوژیک یکپارچه به مسیرهای دیگری هدایت میکنند.
Watching the viral shunt in the wild
پژوهشهای اخیر به سرپرستی Naomi Gilbert و Daniel Muratore — که در نوار پهنی از آبهای غنی از اکسیژن اقیانوس اطلس نیمهگرمسیری نزدیک دریاچه سارجاسو انجام شد — شواهد مستقیمی از عملکرد شانت ویروسی در مقیاس اکوسیستم ارائه میدهد. این مطالعه بر Prochlorococcus تمرکز داشت؛ یک سیانوباکتری بسیار ریز که در این آبها فتوسنتز را غالباً بر عهده دارد و تراکم آن میتواند به چندین ده هزار سلول در هر میلیلیتر برسد.
دانشمندان حاضر در یک مأموریت پژوهشی بنیاد ملی علوم در اقیانوس اطلس آزاد در سال ۲۰۱۹ تجهیزات را آماده میکنند تا نمونههای آب را از عمقهای مختلف جمعآوری و فعالیت ویروسهای دریایی را تحلیل کنند.
با توالییابی RNA جامعه میکروبی، تیم تحقیقاتی توانست بهطور همزمان استنباط کند ویروسها و میزبانهای میکروبی آنها چه کار میکردند — کدام ژنها فعال بودند و کدام فرایندهای متابولیک جریان داشتند. نتایج نشان داد نرخهای عفونت در نوار اکسیژندار تقریباً چهار برابر بیشتر از آبهای اطراف است که در آنها تکثیر میکروبی آهستهتر صورت میگیرد. ویروسها تعداد زیادی از سلولهای Prochlorococcus را آلوده و لیز میکردند و بدین ترتیب کربن آلی و نیتروژن را به آب رها میساختند.
باکتریها بهسرعت آن ماده آلی آزادشده را جذب کردند، کربن را از طریق تنفس هوایی مصرف کردند و نیتروژن را به آمونیوم تبدیل نمودند. این نیتروژن بازتولیدشده سپس به نظر میرسید که رشد مجدد Prochlorococcus و افزایش فتوسنتز را تأمین میکند. به بیان خلاصهتر، عفونتهای ویروسی صرفاً مخرب نبودند؛ بلکه مواد مغذی را بهگونهای بازچرخانی میکردند که تولید اولیه را تقویت کرده و نوار غنی از اکسیژن را در مقیاس صدها مایل حمایت میکرد.
این مشاهدات میدانی همچنین نشان میدهند که شانت ویروسی چگونه میتواند جریان انرژی را در شبکه غذایی میکروبی سطحی مجدداً توزیع کند — از موجودات فتوسنتزکننده کوچک گرفته تا مصرفکنندگانی که بهطور مستقیم یا غیرمستقیم از آنها تغذیه میکنند. چنین سازوکاری نقش کلیدی در پویایی جمعیتهای میکروبی و تنوع جانداران پروکاریوتی و یوکاریوتی دارد که به عنوان پایههای تولید اکوسیستم دریایی شناخته میشوند.
Implications for carbon, nutrients and climate
این شواهد میدانی فعالیت ویروسی را مستقیماً به چرخه مواد مغذی، تولید اولیه و حتی الگوهای اکسیژن در اقیانوس آزاد پیوند میدهد. شانت ویروسی میتواند تعیین کند که آیا کربن به آبهای عمیق صادر میشود یا در لایه سطحی بازچرخانده میشود؛ امری که پیامدهایی برای ذخیرهسازی کربن و بازخوردهای اقلیمی دارد. با تبدیل بیوماس سلولی به مواد آلی محلول و معلق، ویروسها هم میتوانند شبکههای غذایی میکروبی محلی را تغذیه کنند و هم مقدار کربن غوطهور شونده را که به اعماق منتقل میشود تغییر دهند.
این فرایندها برای ماهیگیری و چرخههای بیوژئوشیمیایی جهانی اهمیت دارند. رشد فیتوپلانکتون از کریل و ماهیان کوچک حمایت میکند و در نهایت به صنایع بزرگ ماهیگیری و آبزیپروری میرسد که سالانه صدها میلیون تن غذا تولید میکنند. همزمان، تغییرات در دینامیک میزبان-ویروس — که تحتتأثیر تغییرات دما، ورودیهای تغذیهای یا جریانهای اقیانوسی قرار میگیرد — میتواند چگونگی توزیع مواد مغذی را تغییر دهد و در نتیجه بهرهوری زیستمحیطی مناطق کلیدی را دگرگون سازد.
در سطح اقلیمی، اگر شانت ویروسی موجب بازچرخانی بیشتر کربن در لایه سطحی شود، امکان کاهش انتقال کربن به عمق و در نتیجه کاهش کارایی پمپ بیولوژیکی کربن وجود دارد؛ پدیدهای که میتواند بر جذب دیاکسیدکربن از اتمسفر و در نتیجه بر مدلهای پیشبینی تغییرات اقلیمی تأثیر بگذارد. بنابراین درک و مدلسازی فرآیندهای ویروسی در اقیانوس بخشی از چارچوبی است که برای برآورد اثرات بلندمدت تغییر اقلیم نیاز است.
Expert Insight
«معمولاً ویروسها را تنها بهعنوان عوامل بیماری میشناسیم،» دکتر مایا بنتون، اکولوژیست میکروبی دریایی (نمونهٔ فرضی)، در این یادداشت گفت. «اما در اقیانوس آنها مهندسان اکوسیستم هستند: با لیز کردن سلولها، مواد مغذی را بازتوزیع میکنند و تعیین میکنند کدام میکروبها برتری مییابند. این امر تأثیرات موجی بر سطوح اکسیژن، در دسترس بودن غذا و جریان کربن دارد. پایش دینامیک ویروسی به ما یک اهرم جدید میدهد تا تغییرات در بهرهوری دریایی را بفهمیم و پیشبینی کنیم.»
برای فهم کامل تأثیرات ویروسی لازم است کارزارهای میدانی هدفدار، توالییابی با تفکیک بالا و تحلیل میانرشتهای شیمی اقیانوس، رفتار میکروبی و گردش فیزیکی انجام شود. فناوریهایی مانند رُزتهای نمونهبرداری خودکار، حسگرهای درجا برای اکسیژن و مواد مغذی، و خطوط لولهٔ توالییابی RNA امکان انجام این مطالعات یکپارچه را فراهم میکنند و اجازه میدهند پژوهشگران فعالیت مولکولی را به نتایج در مقیاس اکوسیستم پیوند دهند.
Broader context and future prospects
مطالعهٔ تحت هدایت Gilbert–Muratore بر پایهٔ بدنهٔ رو به رشدی از پژوهشها بنا شده است که نقش مرکزی ویروسها در عملکرد اکوسیستم — از افزایش تنوع میکروبی تا کمک به ذخیرهسازی کربن در اعماق — را نشان میدهد. تحقیقات آینده باید روشن کند که چگونه تغییرات محیطی الگوهای عفونت ویروسی را تغییر میدهند: آبهای گرمتر میتوانند متابولیسم میکروبی و تکثیر ویروسها را تسریع کنند، اما تغییر در رژیمهای تغذیهای ممکن است روابط میزبان-ویروس متفاوتی را ارجح کند. مدلهای پیشبینی که فرآیندهای ویروسی را در خود جای دهند، توانایی بهتری در پیشبینی بهرهوری، دینامیک اکسیژن و صادرات کربن تحت سناریوهای اقلیمی فراهم خواهند کرد.
سیاستگذاران و مدیران منابع دریایی باید توجه کنند: فرآیندهای میکروبی و ویروسی در مقیاس میکروسکوپی عمل میکنند اما اثرات ماکروسکوپی تولید میکنند. سرمایهگذاری در رصدهای درازمدت میکروبی، تلاشهای توالییابی جهانی و اشتراکگذاری دادههای باز، به دنبال ردیابی چگونگی واکنش این محرکهای نامرئی به سیارهای در حال تغییر خواهد بود. چنین سرمایهگذاریهایی نه تنها به دانش بنیادی کمک میکنند، بلکه ابزارهایی عملی برای مدیریت پایدار شیلات، حفاظت از تنوع زیستی دریایی و سیاستهای کاهش تغییر اقلیم فراهم میآورند.
Conclusion
ویروسها در اقیانوس نه صرفاً مضر و نه قابل صرفنظرند؛ آنها بازیگران کلیدی در بازتولید مواد مغذی، تولید اولیه و چرخهٔ کربن هستند. شواهد میدانی تازه از دریای سارجاسو تأکید میکند که تعاملات کوچک ویروسی میتواند تا سطوح منطقهای گسترش یابد و سطوح اکسیژن و شبکههای غذایی را شکل دهد — و این یادآور میشود که کوچکترین عوامل غالباً تأثیری فراتر از اندازهٔ خود بر سامانههای پشتیبان حیات زمین دارند.
منبع: sciencealert
نظرات
آرمین
خیلی جالبه اما کمی احساس میکنم اغراق هم هست، به داده طولی و کنترل متغیرهای محیطی نیاز داریم تا ببینیم چقدر این اثر گسترده ست.
تریپمایند
نکتهش اینه که وصل کردن فعالیت ویروسی به چرخهٔ کربن و اکسیژن واقعا مهمه. حالا مدلسازی و رصد طولی لازمه، همین.
بیونیکس
تو آزمایشگاهم دیدم بعد از لیز شدن یه جمعیت، مادهٔ آلی آزاد شد و یه گونه دیگه سریع رشد کرد، این الگو تکرارشده، جالبه و پیچیده
دراویل
این دادههای ۲۰۱۹ رو چقدر میشه به اقیانوسای دیگه تعمیم داد؟ یعنی فقط سارجاسو اینطوریه یا عمومی؟ شواهد بیشتری لازمه
کوینپ
مگه منطقی نیست، شانت ویروسی اگه کربنو سطحی نگه داره، خب میتونه اثرات اقلیمی و حتی اقتصادی داشته باشه، باید مدل بشه
ردایکس
وااای یعنی ویروسها تو دریا عملا معمار اکوسیستمان؟ فکر نمیکردم انقد تاثیر داشته باشن، از لیز تا نوار اکسیژن، عجب اتفاقی!
ارسال نظر