病毒无处不在,即使在海洋

每个人都听说过病毒。他们导致疾病,如流感,埃博拉,天花,当然COVID-19呼吸道疾病。少为人知的是,病毒不仅导致人们随处可见,感染疾病本质上所有已知的生命形式。更重要的是,不仅病毒影响生物体的健康他们感染,而且整个生态系统。事实上,病毒是一个重要的贡献者的自行车元素,如碳、氮和磷。病毒也是改革的推动者和更新,影响的遗传学和进化论主机生物,增加生物多样性的生态系统中。

我们知道很多关于生态海洋中发现的病毒。在过去的20年左右,我们了解病毒感染单细胞微藻浮游植物,住在海洋上200,阳光可以穿透。海洋浮游植物被称为“植物”——负责地球上大约一半的光合作用,它们提供了许多其他海洋生物食品,从细菌到鲸鱼。由于浮游植物的生态重要性,详细研究了病毒感染(图1)[1,2]。

什么是病毒?

病毒可以被认为是生物纳米机器主动复制的一个目标。所有病毒构建的外部“盒子”的蛋白质,称为衣壳,保护的DNA或RNA基因组的病毒。衣壳有时被第二个信封,还包括脂肪分子。这就是为什么用肥皂洗手破坏一些病毒包括SARS-CoV-2病毒它溶解脂肪层。病毒不会感染每一个细胞他们相遇都会有遇到合适的主机,使用特定的宿主细胞表面分子识别它受体。当病毒遇到它的宿主,它进入细胞或注入它的基因组内。病毒现在也只是一个空壳,但其基因就像一个恶意代码,接管宿主细胞,迫使它成为工厂生产新的病毒。一旦新病毒宿主内组装,并准备感染新的细胞,他们被释放而宿主细胞经常爆炸而死。

许多病毒十分简单,恶意代码,包括很少“命令”(基因组中基因)。这些命令关闭细胞内的自然过程,而其他命令指示细胞产生的构建块,组装成新的病毒病毒基因组,构建的蛋白质衣壳,有时脂肪层。然而,科学家们发现,一些病毒更复杂。一些海洋病毒基因,让他们修改细胞过程,如光合作用、特定细胞组件的生产,或细胞的方式感知周围的环境1]。这导致了许多病毒的假设不只是关闭他们的靶细胞。病毒的恶意代码需要在感染细胞的指挥中心,改变细胞的机械的工作方式,将宿主细胞转换成virus-cell混合称为virocell。virocell编程是活着就足够长的时间来生产尽可能多的病毒(2]。

病毒和细胞之间的“军备竞赛”

病毒可以在宿主细胞,使其成为一个可怕的parasites-taking virocell“僵尸”。宿主细胞,然而,不只是坐在他们反击(图2)。例如,一些细胞产生微小细胞样的结构,可能是病毒的诱饵。因此,而不是感染的细胞,病毒攻击诱饵。宿主细胞的另一个常见的方式,以避免病毒攻击是使用伪装。宿主细胞可能会改变病毒的受体等表面上再也不能识别细胞的潜在宿主(3]。

细菌也可以尝试和保护自己后病毒注入恶意代码,防止新病毒的生产。例如,细菌可能将病毒基因组分成小块,从而阻止病毒在细胞。最后,一些细胞“自杀”当他们意识到自己是被病毒。如果细胞死亡速度不够快,新病毒可能没有时间来组装和准备感染新的细胞。

因为这是一个军备竞赛,病毒也进化的方式来对抗细胞的防御。当宿主细胞改变其外观,病毒进化到能认出新受体在伪装的主机上。病毒有时甚至进化认识到新的主机,它不能识别。这就是导致COVID-19 SARS-CoV-2病毒可能发生。在这种情况下,病毒感染蝙蝠或穿山甲获得感染人类的能力。同时,病毒有时会逃避宿主的免疫系统,例如生产蛋白质,干扰细胞的防御机制。为了生存,主机必须改变,以确保其免疫系统可以识别病毒和阻止它。病毒与宿主细胞之间的军备竞赛正在进行,每一方适应和改变以应对对手的策略。

病毒的变化和多样性的代理

病毒与宿主细胞之间的军备竞赛可能看起来像一个破坏性的过程,但就像其他的例子在自然界中,一个破坏性的过程可以带来新的生活。就像野火燃烧森林可以允许新的和潜在的不同的树木生长,病毒感染并杀死细菌或人口的浮游植物可以使其他生物生长。往往在这个过程中,病毒感染最丰富和成功的生物体,因为高富足意味着更容易找到感染的宿主细胞。当一个极其丰富的主机被病毒杀死,罕见的生物现在有足够的空间和粮食增长,结果是增加生物多样性。

病毒的另一种方式增加diversity-they导致生物体之间的基因交换。作为病毒宿主细胞内聚集,他们有时包一块宿主DNA误衣壳。当这些缺陷病毒感染新的细胞不能杀死它,因为他们没有完整的恶意代码注入。相反,他们从以前的主机,注射DNA可以被纳入新细胞的代码。这可能导致基因变化在宿主体内。事实上,大约8%的我们的人类DNA是由古代DNA片段来自古老的病毒(称为化石病毒)。这些化石病毒参与重要过程在我们的身体4]。

海洋病毒,食物网和元素循环

病毒可能tiny-more 1000倍的宽度小于人类hair-yet感染浮游植物细胞时,病毒会影响整个海洋食物网,以及自行车的元素,如碳、氮和磷(图3)。浮游植物进行光合作用,利用阳光的能量把二氧化碳(有限公司₂)和水变成糖和氧气。这个过程产生氧气和删除有限公司₂从大气中。氧气是必不可少的对于大多数生物有限公司₂是一种温室气体。光合作用产生的糖,这部分是由有限公司₂被浮游植物,被用于制造其他生物分子,如蛋白质。这些蛋白质作为整个海洋生态系统,食物包括鱼类,浮游动物、鲸鱼和人类。通过这种方式,从大气中碳成为食物链的一部分(图3)。当病毒杀死浮游植物宿主,它们可能会破坏这一过程,通过释放光合产品周围的水域。这个版本可以防止浮游植物的消费更大的动物,和可能减少碳,食物网。每一天,估计10²⁸病毒感染发生在世界上的海洋(1其次是28日0或10的)(2]。这些感染从细胞中释放十亿吨的碳。虽然每个浮游植物细胞很小,我们星球上的影响是巨大的。

有时当病毒杀死浮游植物宿主,它们可以增加其他的浮游植物和细菌的生长。这是因为当病毒感染细胞“爆炸”,它可以释放元素,氮、磷等,然后用于其他浮游植物和细菌回收和使用他们的增长。

最后,当浮游植物、细菌和动物死在海洋里,一些材料,他们的身体下沉到海底。这包括公司₂最初被浮游植物,有效地消除大气中的温室气体和减少全球变暖。当病毒杀死浮游植物、浮游植物细胞破碎的小块,很少下沉,而不是用于消费更大的动物。因此,海洋病毒可能减少有限公司₂运送到海洋的底部,从而影响不仅被感染的细胞的生命也整个海洋食物网,甚至,可能,我们地球的气候2,5]。

一滴水的军备竞赛

下次你去海边(或任何湖流,或弹簧),记住,每一滴水都是充满了微小的生命,如浮游植物和细菌,以及他们的病毒。在每一滴水,是一个持续的病毒和宿主之间的军备竞赛,也会带来死亡,但增长和多样性。实际上,海洋病毒是自然循环的一部分,生命和死亡的海洋。这样微小的海洋病毒可以主要参与者在地球的健康。

术语表

主机:↑生物病毒的繁殖。每种病毒繁殖只在一个或几个相关的主机。主机必须有合适的受体可以识别的病毒。

浮游植物:↑微生物从太阳获取能量的光合作用。他们是所有水生食物网的一个重要组成部分。

衣壳:↑蛋白质外壳保护病毒的基因材料,在寻找新的宿主感染。

基因组:↑完整的一套指令需要建立和维护一个有机体。每组的指令存储在一个基因。病毒基因组的DNA或RNA。

受体:↑各种分子表面的细胞可能由病毒作为识别信号。每个病毒识别特定的表面受体/ s的主机。

军备竞赛:↑持续的周期捕食者猎物发展优势,其次是猎物发展自己的优势,等等。

食物网:↑生物吃另一个网络,因此,能源和元素沿着网络流,从猎物的捕食者。

浮游动物:↑非常小的生物生活在水生栖息地。它们以浮游植物为食,细菌,或其他浮游动物。Micro-zooplankton构建的一个细胞。大型浮游动物可以达到几毫米。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

我们感谢莎莉伊兰赫斯科维兹对她的耐心和人才吸引这些插图。我们感谢Einav艾丹•加滕,阿龙和Maayan谢尔,Ari哈里斯,盖亚塞格雷许多优秀的建议。

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引用

[1]↑布莱巴特,m . 2012。海洋病毒:真理或敢。为基础。启3月科学。4:425-48。doi: 10.1146 / annurev -海洋- 120709 - 142805

[2]↑布莱巴特,M。Bonnain C。马利基,K。,and Sawaya, N. A. 2018. Phage puppet masters of the marine microbial realm.Microbiol Nat。3:754 - 66。doi: 10.1038 / s41564 - 018 - 0166 - y

[3]↑莱柏瑞,s . J。,Samson, J. E., and Moineau, S. 2010. Bacteriophage resistance mechanisms.启Microbiol Nat。8:317-27。doi: 10.1038 / nrmicro2315

[4]↑Chuong, e . b . 2018。胎盘是病毒性的:逆转录病毒控制基因表达在怀孕。公共科学图书馆杂志。16:e3000028。doi: 10.1371 / journal.pbio.3000028

[5]↑净重,c . a . 2007。海洋viruses-major玩家在全球生态系统。启Microbiol Nat。5:801-12。doi: 10.1038 / nrmicro1750