2011 年 3 月、タラ、 チリからイースター島まで航海した 36 メートルのスクーナー — 5 年間の地球規模の科学的遠征の 3 週間の行程。船に乗っていた 7 人の科学者のうち 1 人を除く全員が、太陽が降り注ぐ甲板で多くの時間を過ごし、光る青いクラゲやシースケーターとして知られる昆虫などの不思議な生き物を引き上げました。陸から。
タラ号の船尾で 輸送用コンテナは甲板にボルトで固定され、ドアと小さな窓が金属製の壁を貫通していました。科学者の 1 人である Melissa Duhaime は、航海のほとんどを暗くて小さな独房の中で過ごし、終わりのない船酔いと戦いました。
「人々は私が何をしているかを見に来て、すぐに立ち去りました」と Duhaime は言いました。
独房の中で、デュハイムは伸ばした手の幅のホースの隣に座っていた。ボートの数メートル下からポンプでホースを介して水を汲み上げ、一連のフィルターに押し込みました。各フィルターは最後のものよりも細かく、ますます小さな生命体をブロックしました。セットアップは、最初に動物を止め、次に動物プランクトンと藻類を止めました。ホースの最後のフィルターは、細孔の幅がわずか 220 ナノメートルで、バクテリアをブロックするのに十分なほど優れていました。これらすべての生き物をこすり落とした水は、最終的に 3 つの 30 リットルのタンクに流れ込みました。
訓練されていない目には、これらのタンクは無菌水でいっぱいに見えるかもしれません。しかし、彼らは海洋生物、または少なくとも生物に似たもので騒々しかった. 3 つのタンクには最大 1 兆個のウイルスが入っていました。
海には多くの謎が含まれていますが、そのウイルスほど素晴らしいものはありません。科学者たちは、世界中のすべての海に 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 のウイルス粒子があると推定しています。 1980 年代後半以降、科学者たちは海洋の風圏の驚異的な規模にぼんやりと気づいていましたが、それに関する最も単純な疑問の多くは何年も未解決のままでした。科学者たちは、海に何種類のウイルスが存在するかさえ言えませんでした。動物学者は、地球上の多くの場所に哺乳類と呼ばれるものが生息していることをぼんやりと認識していたかのようですが、彼らの知識は檻の中の数匹のリスに基づいているだけでした.
デュハイムと彼女の同僚は、これまでに試みられたことのない規模で海洋ウイルスを収集することによって、それを変えるためにタラ海洋遠征に参加しました。 Science の 5 月 22 日号で報告されているように 、彼らは、太陽に照らされた海の上流にあるウイルスの異なる集団の総数を自信を持って推定するのに十分なサンプルを収集しました。彼らが特定した 5,476 の個体群のうち、以前に科学的に知られていたのは 39 だけでした。
研究者たちは、これらの種がどこに住んでいて、海の生態系にどのように影響するかを研究しています。何年もの間、科学者たちは、ウイルスが世界の海の化学的性質そのものを変化させ、地球の気候に影響を与える可能性さえあると疑っていました.さて、Tara からのデータ 研究者は、海のウイルスの力を最大限に活用できるようになります。
現在ミシガン大学にいる Duhaime にとって、海の振動圏を垣間見ることは、不快に値する暗い金属製の小屋で 3 週間の船酔いを引き起こしました。 「あなたは、海の中でこれらすべての重要なサイクルがあなたの周りで起こっている自然の中でこの瞬間にいます.あなたはそのスナップショットを撮ろうとしているだけです」と彼女は言いました. 「それは決して古くなりません。」
ウイルスの爆発
科学者は、1800 年代後半に病気のたばこ植物で初めてウイルスを発見しました。しかし、1 世紀近くの間、海洋生物学者は、海には事実上ウイルスが存在しないと考えていました。彼らが顕微鏡で海水を見たとき、ウイルスはまったく見られなかったので、海はウイルスが大量に生き残るには厳しすぎると結論付けました.
1980 年代、リタ プロクターという生物学者は、より注意深く体系的な調査を行うことにしました。カリブ海やサルガッソ海などの場所の水を調査したところ、驚くほど豊富なウイルスが明らかになりました。他の研究者は、海が実際にウイルスのスープであることを確認しました.
ウイルスが海洋生態系の重要な部分であることが明らかになりましたが、科学者はそれらを研究するのに苦労しました.顕微鏡でウイルスを観察するだけでは、ウイルスについて多くのことを知ることはできません。ほぼ同じように見える 2 つのウイルスが、まったく異なるホストに感染する可能性があります。科学者たちは、ウイルスが複製するために必要な宿主を特定できなかったため、実験室でそれらを飼育するのに苦労しました.
その後、1990 年代に生命を調査する新しい方法が登場しました。科学者は、海水（または土壌、湖の泥、またはその他の物質）のサンプルに化学物質を追加し、含まれているすべてのタンパク質と膜を引き裂きます.その残骸から、科学者はサンプルからすべての DNA を断片の寄せ集めで抽出することができました。次に、研究者は断片の配列を決定し、それらをより大きな DNA セグメントにつなぎ合わせました。最後に、これらの遺伝子配列を既知の種のものと比較し、完全に一致するか、近縁種の配列を見つけることができました。
メタゲノミクスとして知られるこの方法は、科学者たちにバクテリアやその他の微生物に関する新しい発見の波をすぐにもたらしました。それは、科学者が人体の内外に生息する数千種の微生物を分類できるようにすることで、人間の健康の研究を変革しました.
しかし、海洋ウイルスはその秘密をメタゲノミクスにそう簡単に明け渡すことはありません。 E からのすべての細胞種。大腸菌 ナガスクジラには、共通のコアセットの遺伝子があります。一方、ウイルスにはそのような普遍的な遺伝子セットはありません。科学者が科学的に新しいウイルスから遺伝子を収集すると、その遺伝子のほとんどが以前に発見されたウイルス遺伝子と類似していないことに気付くことがよくあります。さらに、ウイルスは、他の種のウイルスまたはその宿主から新しい遺伝子を取得することがよくあります。科学者が未知のウイルスから 1 つの遺伝物質を分離した場合、それがどこから来たのかを特定するのは難しい場合があります。
近年、科学者たちはこの混沌に何らかの秩序をもたらすことに成功しています。アリゾナ大学の環境ウイルス学者であるマシュー・サリバンと彼の同僚は、新種のウイルスを特定する方法を開発しました。それらは、同じ遺伝子のいくつかを共有するウイルスから始まります。次に、彼らの DNA がどの程度似ているかを測定します。それらの測定値をグラフにプロットすると、ウイルスはぼんやりとした不可解な雲に広がりません。代わりに、彼らはきつい塊に群がります。これらの塊は、サリバンと彼の同僚が主張するように、ウイルスの異なる種を表している.
サリバンは、これらの新しい方法を地球規模で機能させるために、タラ海洋プロジェクトのリーダーに加わりました。彼の研究者チームは、紅海、地中海、アドリア海とともに、地球上のすべての海の海水をろ過し、全部で 43 の場所を訪れました。彼らは水を塩化鉄で処理してウイルスを粒子にくっつけ、再び水をろ過し、ウイルスで詰まったフィルターを世界中の研究所に送りました.
サリバンと彼の同僚は、ウイルスを顕微鏡で調べ、遺伝子の配列を決定しました。全体として、彼らは 21 億 6000 万個の DNA 断片を抽出し、各断片には平均で 101 塩基対が含まれていました。科学者たちは、断片の多くが互いに重なり合っていることを発見しました。彼らはジグソー パズルのように長い DNA を組み立て、ウイルス遺伝子の全配列を認識し始めました。
彼らはこの遺伝子カタログを編集する際に、それを分類し始めました。サリバンと彼の同僚は、密接に関連する遺伝子をクラスターにまとめました。類似のタンパク質をコードする遺伝子のペアは、同じクラスターに配置されます。全体として、彼らは 1,323,921 個のクラスターを特定しました。
ここで、彼らは重大な問題を抱えていました。世界の海にあるすべてのウイルス遺伝子のうち、彼らが収集したのはどのくらいの割合でしょうか?彼らは表面をすくい取っただけなのか、それともこれらの 130 万個のクラスターが存在するウイルス遺伝子のほとんどを表しているのでしょうか?
科学者がこのような質問に答えるために使用できる巧妙な統計的トリックがあります。サリバンと彼の同僚は、カタログから遺伝子を無作為に選ぶことから始めました。次に、別の遺伝子を選び、2 つの遺伝子が同じクラスターに属しているか、2 つの異なるクラスターに属しているかを調べました。次に、3 つ目の遺伝子を選び出し、最初の 2 つと比較しました。各ステップで、彼らはグラフ上にポイントをプロットすることで進捗状況をマークしました。ここで、すべての新規遺伝子がグラフを増加させました.
新しい遺伝子は通常、これまでに特定されたどのクラスターにも属していなかったため、最初は曲線が急でした。しかし、しばらくすると、新しい遺伝子が既存のクラスターに収まるため、曲線は平坦になりました。プロセスの終わりまでに、科学者が新しい遺伝子を選択することはめったにありませんでした。ランダムに選択された遺伝子を使用してこの作業を何度も繰り返すと、同じ平らな曲線が生成されました。
この平坦化された曲線は、サリバン氏と彼の同僚に重大なことを教えてくれました。おそらく、地球全体の上層海洋でほぼすべてのウイルス遺伝子を発見したということです。ホースに吸い込まれるのを待っている何十億もの追加の遺伝子がそこに潜んでいるわけではありません.
「それはいいことです」とサリバンは言いました。
次に、科学者たちはこのカタログを使用して、世界の海に何種類のウイルスが存在するかを調べました。 (今のところ、サリバンはこれらの異なる種類のウイルスを「個体群」と呼ぶことに注意していますが、さらなる研究によって、これらの個体群が実際に真の種であることを示すことができると確信しています。)クラスタを相互に比較した結果、科学者は 5,476 の異なる個体群を特定できました。
この 1 回の遠征で、科学者たちは海洋生物圏に対する私たちの視野を劇的に広げました。サリバンと彼の同僚が、5,476 の個体群を、科学者がすでに記録している種と一致させようとしたとき、成功した回数はわずか 39 回でした。言い換えれば、彼らが発見したウイルスの 99% は科学的に新しいものでした。
遺伝子の平坦化された曲線は、Sullivan と彼の同僚に、ウイルスを特定するために同じ方法を使用して新しい調査に出かけたとしても、それ以上の新しいウイルスは見つからないことを示しています。しかし、サリバン氏は、海洋ウイルスの種の総数が 5,476 を超えることが判明することをすぐに指摘します。たとえば、近年、科学者たちはバクテリアと同じくらいの大きさの、いわゆる「巨大ウイルス」を数多く発見しています。デュハイムと他の人々がタラの海洋調査で使用したフィルターは、研究した水槽に巨大なウイルスが侵入するのを防ぎました.
さらに、科学者たちは、DNA を使用して遺伝子をコード化するウイルスのみを配列決定しました。インフルエンザや HIV などの一部のウイルスは、DNA の一本鎖バージョンである RNA を使用して遺伝子をエンコードします。ある推定によると、海洋中のウイルスの半分は RNA ウイルスです。さらに、タラ号の海洋調査では海面からのみサンプルが採取されました。海底の堆積物と同様に、より深い地域にもウイルスがあります。
それにもかかわらず、タラ号の海洋調査により、サリバン氏は、海洋ウイルスの総数は数万に過ぎないと確信しています。
「予想よりも少ない数です」とサリバンは言いました。小規模な研究に基づいて、数十万種の海洋ウイルスと数十億のウイルス遺伝子が存在する可能性があると推測する科学者もいました。しかし、タラ号の海洋調査は、そうではないことを示唆しています。 「それはそれです」とサリバンは言いました。
ウイルスの働き
サリバンと彼の同僚は、海洋ウイルスのこのような包括的な画像を使用して、それらについて大まかな結論を導き出すことができます。たとえば、各ウイルス集団は、一部の地域では他の地域よりも一般的です。これはおそらく、宿主が特定の温度または特定の酸素レベルで繁殖するという事実によるものです.
しかし、サリバンと彼の同僚は、どこを見てもほとんどの集団からウイルスを発見しました。言い換えれば、海のあらゆる部分がウイルスのシードバンクのようなものです。適切な宿主が現れるとすぐに、比較的まれなウイルスがそれに感染し、それ自体を複製して巨大な個体群にします.
科学者たちは海洋ウイルスの多様性を明確に把握したので、これらのウイルスが地球にどのように影響を与えているかをよりよく理解することが期待できます.ウイルスは膨大な数の宿主を殺します。一部の研究者は、毎日海にいるすべてのバクテリアの最大 40% を死滅させていると推定しています。しかし、逆説的に、この毎日の大量虐殺は実際に海の生物量を増加させる可能性があります.海洋生態系の数学的モデルは、非常に多くの微生物を殺すことにより、ウイルスが炭素やその他の有機栄養素を環境に放出し、他の生物に簡単な栄養素源を提供できることを示唆しています.消費されなかった炭素は深海に漂流し、その結果、大量の炭素が大気中に逃げるのではなく、海底に落ちてしまう可能性があります。
これまで、科学者は海洋ウイルスについて、これらの影響の正確なモデルを作成するのに十分な知識を持っていませんでした。そのため、彼らはウイルスが私たちの世界に何をしているのかを自信を持って言うことができませんでした.デュハイム氏は、タラ号海洋調査から得られたデータは、これらのモデルを突き止めるのに大いに役立つだろうと述べました。 「それにはほど遠いですが、道はそこにあります。」
これらすべての新しいデータにもかかわらず、サリバンは海洋ウイルスの生態はまだ初期段階にあると考えています。 「ウイルスは、シマウマを数えるほど成熟していません」と彼は言いました。 「それは、ウイルスよりもシマウマを観察してシマウマの種を定義する方が簡単だからです。」
しかし、Sullivan と彼の同僚は、膨大な数の追加のウイルスを送り込むために使用できるパイプラインを構築しました。動物生態学者は何百年にもわたって有利なスタートを切っていますが、サリバンによれば、「私たちはすぐに先を行くかもしれません。」
2015 年 5 月 22 日の訂正:サリバンは、海洋ウイルスの総数は数万になると推定しています。以前の見積もりは数十万でした。
