Mehr als 1.700 urzeitliche Viren in Gletschern gefunden. Stellen sie eine Bedrohung für den Menschen dar?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Denovo Team

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die Grenzen des Wissens zu erweitern, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Unbekanntes Gebiet“ gestartet, die einen Überblick über die Erkundungsergebnisse bietet, die die Grenzen im Weltraum, in der Tiefsee, in der Tiefsee und in anderen Bereichen durchbrochen haben. Begeben wir uns auf eine wissenschaftliche Entdeckungsreise und lernen wir die erstaunliche Welt kennen.

Es gab eine ähnliche Handlung in einem Film, in dem der Protagonist überall nach scheinbar lächerlichen Investitionsprojekten sucht, um Geld auszugeben. Eine davon ist der Transport von Eisbergen aus der Arktis in die Alxa-Wüste im Autonomen Gebiet Innere Mongolei.

Dieses Projekt, „Eisberge in die Wüste zu transportieren“, dürfte aus praktischer Sicht kaum zu realisieren sein. Der Transport von Eisbergen von der Arktis in die Alxa-Wüste ist äußerst kompliziert und aufgrund von Faktoren wie Klima, Temperatur und Transportkosten nicht durchführbar.

Obwohl niemand die arktischen Gletscher tatsächlich in die Alxa-Wüste verlegen würde, sind Gletscher für die Forschung von enormem Wert. Wissenschaftler bohren oft Eiskerne aus Gletschern im ganzen Land und transportieren sie zur Forschung in Labore.

So entdeckten Wissenschaftler der Ohio State University in den USA beispielsweise mehr als 1.700 urzeitliche Viren in Eisbohrkernen, die aus Gletschern auf dem Qinghai-Tibet-Plateau meines Landes entnommen wurden.

Wie gewinnt und transportiert man Eis aus dem Himalaya?

Als „dritter Pol“ zeichnen die Gletscher des Qinghai-Tibet-Plateaus nicht nur Klimaveränderungen über Zehntausende von Jahren auf, sondern enthalten auch umfangreiche Informationen über mikrobielle und virale Gemeinschaften und sind für die wissenschaftliche Forschung von äußerst hohem Wert.

In den letzten Jahren hat China die zweite umfassende wissenschaftliche Untersuchung und Forschung auf dem Qinghai-Tibet-Plateau (die zweite Qinghai-Tibet-Expedition) gestartet, bei der die Gletscherforschung eine der wichtigsten Aufgaben ist. Durch Bohrungen und Analysen von Gletschern führte das wissenschaftliche Expeditionsteam eingehende Untersuchungen zu Veränderungen der Gletscherumgebung, der mikrobiellen Vielfalt und der Reaktion der Gletscher auf den Klimawandel durch und lieferte so wertvolle wissenschaftliche Daten für die globale Klimaforschung und den Schutz von Ökosystemen.

Der Prozess der Eisgewinnung im Himalaya ist für Wissenschaftler sehr kompliziert und erfordert in der Regel Reisen zu abgelegenen und hochgelegenen Gletschern. Der Probenentnahmeort liegt auf dem Plateau des Guria-Gletschers im Westen Chinas, auf einer Höhe von 6.200 Metern. Mit speziellen Bohrgeräten bohrt das wissenschaftliche Forschungsteam tief in den Gletscher hinein. Der gebohrte Eiskern ist 309,7 Meter tief und hat einen Durchmesser von etwa 10 Zentimetern. Der Eiskern dringt bis zum Grundgestein des Gletschers vor.

Während der Bohrung kann die Oberflächentemperatur des Gletschers minus 21,2 °C erreichen, die Eiskerntemperatur in 10 Metern Tiefe beträgt minus 11,6 °C und am Fuße des Gletschers minus 2,1 °C. Es wurden bis zu 309,7 Meter tiefe Eiskerne gebohrt, die Klimadaten für Zehntausende von Jahren konservieren können. Aufgrund der extrem rauen Umgebungsbedingungen in großen Höhen müssen sich die Wissenschaftler mit niedrigen Temperaturen, Sauerstoffmangel und rauen Geländebedingungen auseinandersetzen.

Die gebohrten Eiskerne wurden in etwa 1 Meter lange Segmente geteilt, in Plastikröhren versiegelt und dann in aluminiumbeschichtete Pappröhren gelegt. Der anschließende Abtransport der entnommenen Eiskerne ins Tal gestaltet sich schwierig, da in diesen Gletschergebieten meist keine Fahrzeuge zur Verfügung stehen . Daher können sich Wissenschaftler beim Transport von Eisbohrkernen nur auf Yaks verlassen. Im Allgemeinen kann jedes Yak einen etwa zehn Meter langen Eiskern tragen. Diese Yaks können sich nicht nur an das raue Klima und Gelände der Berge anpassen, sondern helfen Wissenschaftlern auch dabei, Eisbohrkerne von hochgelegenen Sammelstellen in niedrigere Höhen zu transportieren.

Probenahme von Gletschereiskernen

(Bildquelle: Dokument 1)

Sobald die Eisbohrkerne in niedrigere Höhen transportiert wurden, verpacken die Wissenschaftler sie ordnungsgemäß, um sicherzustellen, dass sie während des gesamten Transports gefroren bleiben. Anschließend werden die Eisbohrkerne in Kühllastwagen verladen und zu wissenschaftlichen Forschungslabors transportiert. Mithilfe dieser Eisbohrkerne können Wissenschaftler Einblicke in die Entwicklung des Klimas und der mikrobiellen Ökosysteme früherer Zeiten gewinnen und so die Auswirkungen des Klimawandels auf mikrobielle Gemeinschaften aufdecken.

Welche Bedeutung hat die Erforschung dieser uralten Viren?

Gletscher sind natürliche Archive von Zeitinformationen sowie Informationen zum Klima und den Ökosystemen der Erde. Eisbohrkerne aus dem Guria-Gletscher umfassen mehr als 41.000 Jahre historischer Aufzeichnungen und bewahren Klima- und Mikrobeninformationen aus verschiedenen Zeiträumen. Ziel dieser Studie ist es, die Dynamik dieser Virengemeinschaften als Reaktion auf warme und kalte Klimaveränderungen sowie ihre Rolle in alten Ökosystemen aufzudecken.

Dem Forschungsteam gelang es, 1.705 Viren auf annähernd Artebene zu rekonstruieren, indem es virale Genome aus Eisbohrkernen des Gulia-Gletschers auf dem tibetischen Plateau extrahierte. Die Genome stammen aus Proben aus neun verschiedenen Zeiträumen, die drei kalte und warme Klimazyklen der letzten 40.000 Jahre umfassen.

In Gletscherumgebungen ist die Anzahl der Mikroorganismen aufgrund extremer Kälte und Nährstoffmangels normalerweise sehr gering, sodass nur eine geringe Menge DNA extrahiert wird, was eine Herausforderung für die Genomassemblierung darstellt. Im Vergleich zur vorherigen Studie, in der lediglich 33 virale Genome wiederhergestellt wurden, konnte in dieser Studie die Anzahl der viralen Genome durch eine gründlichere Sequenzierung und optimierte Methoden zur Zusammenstellung von Gletscher-Metagenomen mit geringer Biomasse erheblich erhöht werden. Dies liefert eine große Menge neuer Daten für die Untersuchung von in Gletschern konservierten Viren.

Verbreitung des Guria-Gletschervirus in verschiedenen Umgebungen auf der ganzen Welt

(Bildquelle: Dokument 1)

Um eine eingehende Analyse dieser neu entdeckten Viren durchführen zu können, wandte das Forschungsteam eine Klassifizierungsmethode auf Grundlage eines Gene-Sharing-Netzwerks an und kombinierte diese mit Referenz-Virusgenomen in öffentlichen Datenbanken, um ein Klassifizierungssystem für virale operative Klassifizierungseinheiten und Virusgemeinschaften zu erstellen.

Mit diesem Ansatz entdeckten sie bestimmte Virengattungen (wie etwa das Phikmvvirus und das Rauchvirus) und deckten die möglichen ökologischen Rollen dieser Viren in durch Gletscher konservierten Umgebungen sowie ihre Wechselwirkungen mit Wirtsmikroben auf. Diese Erkenntnisse erweitern unser Verständnis der Virenvielfalt und der ökologischen Funktionen von Gletschern erheblich.

Viren spielen Schlüsselrolle in Gletscherökosystemen

Die ökologischen Auswirkungen von Gletscherviren auf Wirtsmikroorganismen zeigen die Schlüsselrolle von Viren in Gletscherökosystemen. Die Studie zeigte, dass Viren im Guria-Gletscher einen anhaltenden viralen Infektionsdruck auf Wirtsmikroorganismen (hauptsächlich Flavobacterium, Psychrobacter und Polaromonas) ausübten, die in Gletscherumgebungen normalerweise die dominierenden Populationen sind. Durch die Analyse der Verbindung zwischen Viren und Wirten stellte die Studie fest, dass die Gattung Flavobacterium während des gesamten Untersuchungszeitraums dem höchsten Virendruck ausgesetzt war. Dies bedeutet, dass diese Viren über einen langen Zeitraum hinweg einen wichtigen Einfluss auf die Struktur und Funktion der Gletscherökosysteme gehabt haben könnten.

Zusätzlich zum Infektionsdruck des Wirts zeigte die Studie auch den tiefgreifenden Einfluss des Virus auf den Stoffwechsel des Wirts durch zusätzliche Stoffwechselgene (AMGs). Im viralen Genom wurden verschiedene AMGs gefunden, die mit dem Stoffwechsel des Wirts in Zusammenhang stehen, insbesondere in den Stoffwechselwegen der Cofaktoren und Vitamine.

Die Studie geht davon aus, dass diese Gene dem Wirt dabei helfen könnten, sich an extreme Umgebungen wie die Kälte und den Nährstoffmangel auf der Oberfläche von Gletschern anzupassen. Dadurch würden die Überlebenschancen des Wirtes verbessert und gleichzeitig die Anpassungsfähigkeit des Virus erhöht. Durch diese Stoffwechselgene können Viren in Gletscherökosystemen die Rolle „ökologischer Regulatoren“ spielen und das Wachstum, den Stoffwechsel und die Umweltanpassungsfähigkeit von Mikroorganismen beeinflussen.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Gletscherviren nicht nur durch Infektion Druck auf Wirtsmikroben ausüben, sondern durch Stoffwechselregulierung auch die Anpassungsfähigkeit des Wirts an extreme Umgebungen beeinträchtigen, was die wichtige ökologische Rolle von Viren in alten Ökosystemen weiter verdeutlicht.

Sind uralte Viren eine Bedrohung für den Menschen?

Von den 1.705 rekonstruierten Virusgenomen konnten 97 % nicht in bekannte Virusgattungen eingeordnet werden, was darauf hindeutet, dass diese in der Gletscherzeit konservierten Viren höchst neuartig sind. Diese neuen Viren gehören hauptsächlich zur Klasse der Caudoviricetes, doch konnten in dieser Studie nur 12 Virusgattungen eindeutig klassifiziert werden, darunter Carjivirus, Nickievirus, Myxoctovirus usw. Die fehlende Ähnlichkeit zwischen den verbleibenden Viren und bekannten Virusgenomen lässt darauf schließen, dass es in Gletscherumgebungen eine große Zahl unentdeckter und unerforschter Virusgruppen geben könnte.

Die aktuelle Forschung ist skeptisch, ob aus Gletschern freigesetzte uralte Viren eine Bedrohung für den Menschen darstellen. Erstens sind urzeitliche Viren über Zehntausende von Jahren oder länger in Gletschern konserviert worden, oft isoliert von modernen Organismen, sodass sie möglicherweise die Fähigkeit verloren haben, moderne Wirte zu infizieren. Diese Viren verbleiben in extrem kalten und anaeroben Umgebungen inaktiv und haben möglicherweise lange Perioden genetischer Drift und Evolution durchlaufen, wodurch sie sich erheblich von modernen Viren oder mikrobiellen Wirten unterscheiden und daher möglicherweise nicht in der Lage sind, moderne Menschen oder Tiere wirksam zu infizieren oder sich bei ihnen zu vermehren.

Schmelzende Gletscher

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Mit zunehmendem Klimawandel und dem Abschmelzen der Gletscher könnten diese uralten Viren jedoch erneut der Umwelt ausgesetzt werden und in Medien wie Luft, Wasser oder Boden gelangen. Obwohl es sich bei den meisten Gletscherviren um Bakteriophagen handelt, die Bakterien und andere Mikroorganismen infizieren, kann angesichts der Vielfalt der alten Virengemeinschaften und unseres begrenzten Verständnisses ihrer biologischen Eigenschaften nicht völlig ausgeschlossen werden, dass einige Viren das Potenzial haben, moderne Wirte zu infizieren , insbesondere bei Personen mit geringer Immunität oder unzureichender Anpassung an die Umwelt. Diese erneuten Expositionen können Auswirkungen auf bestimmte mikrobielle Gemeinschaften haben, was wiederum indirekt Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit oder Ökosysteme haben kann.

Obwohl es derzeit keine direkten Beweise dafür gibt, dass diese uralten Viren eine unmittelbare Bedrohung für den menschlichen Körper darstellen, ist die wissenschaftliche Gemeinschaft der Ansicht, dass wir angesichts der durch das Abschmelzen der Gletscher entstehenden Ansteckung mit noch mehr unbekannten Viren äußerst wachsam bleiben und weitere Forschungen durchführen müssen, um die potenziellen Risiken dieser Viren zu überwachen und einzuschätzen. Um möglichen künftigen Umwelt- und Gesundheitsrisiken zu begegnen, fordern Wissenschaftler strengere Überwachungsmaßnahmen, um die Eigenschaften dieser Viren und ihre möglichen Auswirkungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel zu verstehen.

Abschluss

Die aktuelle Studie liefert durch die Analyse von in Gletschern konservierten Viren neue Erkenntnisse zu unserem Verständnis des Klimawandels in der Erdgeschichte. Gletscherviren zeichnen Klima- und Ökosystemveränderungen über Zehntausende von Jahren auf, was wichtig ist, um zwischen natürlichen Klimaveränderungen und den Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf das Klima zu unterscheiden. Darüber hinaus könnten diese Viren in alten Ökosystemen eine Schlüsselrolle gespielt haben, insbesondere bei der Regulierung des Stoffwechsels von Wirtsmikroben in extremen Umgebungen. Wir freuen uns auf weitere Forschungen in der Zukunft, um die durch Temperatur und Zeit in Gletschern eingefrorenen Geheimnisse weiter zu lüften.

Quellen:

1. Zhong, Zhi-Ping, et al. „Von Gletschern konservierte Virengemeinschaft auf dem tibetischen Plateau wahrscheinlich mit warm-kalten Klimaschwankungen verbunden.“ Nature Geoscience (2024): 1-8.

2. Schuur, Edward AG, et al. „Klimawandel und die Kohlenstoffrückkopplung im Permafrost.“ Nature 520.7546 (2015): 171-179.

3.Legendre, Matthieu, et al. „Dreißigtausend Jahre alter entfernter Verwandter riesiger ikosaedrischer DNA-Viren mit einer Pandoravirus-Morphologie.“ Proceedings of the National Academy of Sciences 111.11 (2014): 4274-4279.