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May 03, 2023

海洋ウイルス：水没した気候変動の主役

9 giugno 2023 Questo articolo

2023 年 6 月 9 日

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米国微生物学会による

世界は、化石燃料や森林伐採など、地球規模の気候変動の通常の要因に重点を置いているが、海洋ウイルスという、思いがけない競争相手の一群が深海から出現した。 これらの小さいながらも強力な存在は、科学者たちが私たちの惑星の気候に対する深い影響を解明するにつれて、現在脚光を盗んでいます。

推定 1,030 個のウイルス粒子の軍隊を擁する海洋ウイルスは、その驚くべき多様性で広大な海洋を支配しています。 細菌、藻類、原生生物、魚など、すべての水生生物は何らかの形でその存在によって影響を受けます。 気候変動に対する海洋ウイルスの最終的な影響がプラスであるかマイナスであるかについては、まだ結論が出ていません。 しかし、増え続ける証拠は無視することが難しく、海洋ウイルスには海洋生態系そのものを作り変えるほどの変革力があり、生物地球化学サイクルに対するそれらの影響は決して微妙なものではありません。

バクテリオファージ (または単にファージ) (細菌に感染するウイルス) は、海洋で優勢なウイルスです。 感染すると、ファージはウイルス溶解として知られるプロセスを通じて不運な細菌宿主を破裂させ、それによって栄養素と有機物を周囲の海水に放出します。 ウイルスシャントとして知られるこの現象は、微生物バイオマスをプランクトンや魚などの食物網の二次消費者から、主に従属栄養細菌によって消費される溶解有機物のプールに迂回させます。

細菌が死んで分解すると、その有機物が粒子状有機物 (POM) または溶存有機物 (DOM) のプールとなる可能性があります。 POM は複雑な構造で構成されており、海洋微生物によって容易に分解されません。 そのため、海の深部まで運ばれることが多いです。 ただし、DOM は微生物にとってより容易に消化されるため、微生物のバイオマスに組み込まれるようになります。 海洋中の微生物バイオマスが拡大すると、プランクトンなどのより高い栄養段階の生物の食料源となり、プランクトンは魚の餌となります。

しかし、ファージはこれらの微生物を捕食することもできます。 ファージは、海洋中の従属栄養細菌の約 10 ～ 20%、独立栄養細菌の 5 ～ 10% を毎日殺し、その結果、炭素、栄養素、その他の微量元素が微生物の食物網に大量に放出されると推定されています。 微生物が新たに利用できる栄養素と炭素を熱心に消費するため、溶解した有機物は細菌の饗宴を引き起こし、より高い栄養レベルを通るそれらの流れを制限します。 したがって、ウイルスの溶解は細菌の呼吸を促進し、炭素を大気中に放出せずに海洋に保持します。 このようにして、ファージは間接的に年間約 3 ギガトンの炭素を隔離するのに役立ちます。

ウイルスの溶解は、核酸やアミノ酸の形で細菌細胞内に封入されている窒素やリンなど、他の重要な栄養素を海洋の微生物の食物網に放出する際にも重要な役割を果たします。 これらの栄養豊富な化合物は、成長と代謝活動を促進し、従属栄養微生物と独立栄養微生物の両方にとって貴重な資源として機能します。

ファージはまた、地球規模の CO2 固定の主要な役割の 1 つであるシアノバクテリアの代謝を再構築することによって、炭素循環を変えることもできます。 たとえば、研究者らはシアノファージがシネココッカス属に感染することを発見した。 エネルギー生産を最大化し、CO2 固定を阻害することで宿主の光合成を変化させます。 しかし、生態系レベルでのこの現象の広範な影響は依然として謎に包まれており、将来の研究の機が熟した重要な領域を示しています。

海洋藻類は、その光合成能力を通じて大気中の二酸化炭素レベルの調節に重要な役割を果たしています。 しかし、深海では海藻が大量に発生し、問題が潜んでいます。 水生生態系における制御不能な爆発的な藻類の増殖である、恐ろしい藻類の異常発生の世界に入りましょう。 これらのブルームは、酸素欠乏や食物網の破壊から有害な毒素の生成に至るまで、海洋生態系に一連の有害な影響を引き起こします。

再びウイルスが主役になります。 海洋藻類に感染する可能性のある溶解ウイルスは、藻類の増殖の終焉に重要な役割を果たし、溶解有機物の急増を引き起こし、再び周囲の従属栄養細菌の増殖を促進し、より高い栄養レベルへのエネルギーの流れを制限します。

その結果、科学者たちはウイルスを使用して藻類の発生を自然に制御し、除去するというアイデアを研究しています。 この刺激的な研究分野はまだ初期段階にあり、科学者たちは現在、より多くの情報を収集し、このアプローチの可能性を探るために小規模なパイロット研究を実施しています。 その一例は、ヘテロシグマ・アカシウォウイルス（HaV）の調査であり、このウイルスは、有害な藻類種ヘテロシグマ・アカシウォによって引き起こされる有毒な赤潮の再発を防止し、最終的には漁業を保護するのに有望であることが示されている。 別の研究では、自然の湖から分離されたウイルスのカクテルが、実験室培養物中の有毒なシアノバクテリアであるミクロシスチス・アエルギノーサの存在量を6日間で95％減少させたことを示唆している。

しかし、いくつかの課題により、藻類の増殖を制御するためのウイルス (およびシアノファージ) の大規模な適用が制限されています。 自然生態系における藻類の発生の動態は複雑であり、大規模なウイルス介入の実施には物流面と環境面の両方の課題が伴います。 もう 1 つの重大な懸念は、微生物が抗生物質に対する耐性を進化させるのと同様に、ウイルスに対する微生物の耐性が発現する可能性です。 耐性を克服するための考えられる回避策としては、単一の溶解ウイルスの代わりにウイルスカクテルを使用することや、問題の藻類に特異的なウイルスを操作することなどがあります。 これらの制限にもかかわらず、アオコの修復にウイルスを利用することは有望であり、引き続き活発な研究分野です。

地球規模の気候変動における海洋ウイルスとファージの役割はまだ解明されておらず、発見すべきことはまだたくさんあります。 科学者たちがこの魅力的な分野をさらに深く調査し続けるにつれて、大きな期待を秘めた将来のステップがいくつかあります。

何よりもまず、海洋におけるウイルスの多様性の全容と、さまざまな環境条件下でのウイルスとさまざまな微生物群集間の相互作用を明らかにするには、さらなる研究が必要です。 最近、科学者たちは、非常に大きなゲノム (サイズは 300 ～ 1000 キロベースペア (kbp) の範囲) を持ち、海洋宿主に感染する「巨大ウイルス」の存在に関して驚くべき発見をしました。 これらのウイルスがさらに興味深いのは、ウイルスが非常に蔓延しており、広範囲の真核宿主に感染する能力を持っているという発見です。 しかし、巨大ウイルスが海洋生態系や生物地球化学的プロセスにどの程度影響を与えるかはまだほとんど解明されておらず、さらなる調査が必要である。

さらに、ウイルスを介した栄養素のリサイクルと炭素隔離の背後にあるメカニズムを理解することで、藻類の発生を軽減し、海洋における炭素隔離効率を高める革新的なアプローチへの道を開くことができます。 さらに、ウイルスの動態を海洋学モデルに統合することは、気候変動に対する生態系の反応の予測を精緻化するのに役立ちます。

ウイルスが海洋に影響を与える因子であるという認識が高まるにつれ、海洋微生物の役割と相互作用についてのさらなる研究が、環境問題を軽減し、変化する世界に直面して海洋生態系の健全性と回復力を促進する私たちの能力に間違いなく貢献するでしょう。

雑誌情報:科学レポート

米国微生物学会提供