Ученые создали искусственный мир, в котором патогены из прошлого внедрялись в сообщества организмов. «Путешественники» часто выживали и продолжали эволюционировать, а в 3,1% случаев занимали доминирующие положение в сообществе. При этом захватчики чаще оказывали незначительное воздействие на состав сообщества. Однако в 1,1% случаев они ускоряли потерю (до -31,9%) или прирост (до +12%) свободноживущих видов. Полученные данные доказывают, что, несмотря на низкую вероятность вспышек, огромное количество древних микроорганизмов, попадающих в современные сообщества при таянии ледников, действительно угрожают экологическими изменениями. Результаты исследования опубликованы в журнале PLoS Computational Biology.
Фантасты неоднократно размышляли о том, как бактерии и вирусы могут повлиять на развитие цивилизаций. Что станет с планетой, если древние патогены, замурованные во льдах, выйдут на свободу? Этот вопрос перестал быть актуальным только для книжных героев и в условиях потепления климата начал волновать современных ученых. Исследователи уже провели несколько краткосрочных лабораторных экспериментов, проверяющих взаимодействие между предковыми штаммами бактерий и более молодыми вирусами. Однако потенциальная сила «путешественников во времени» остается малоизученной.
Международный коллектив ученых смог преодолеть преграды в виде трудностей со сбором соответствующих данных и постановкой экспериментов с несколькими видами и рассчитал риски потенциальной временной инвазии. Они разработали искусственную модель, согласно которой цифровые вирусоподобные патогены из прошлого вторгались в сообщества бактериоподобных хозяев и их современных патогенов. Авторы использовали мир Avida, состоящий из двумерной сетки, время в котором измерялось в «обновлениях». Во время одного обновления каждый организм выполнял около 30 команд. Организмы конкурировали за источник энергии, позволяющий им размножаться, и за пространство. При этом, прежде чем породить потомство, организмы должны были скопировать свой генетический код. Однако при копировании они допускали ошибки, большинство из которых были вредными и препятствовали размножению. Тем не менее в некоторых случаях ошибки не влияли на конкурентоспособность организма или даже обеспечивали потомство новыми преимуществами. Таким образом, в модели действовал естественный отбор, она оказалась реалистичной и соответствовала реальному миру.
Сначала авторы проверили, каковы шансы на то, что патоген из прошлого утвердится в современном сообществе. Ученые сравнивали сообщество, в которое внедрялся патоген, с контрольным. Результаты показали, что захватчик обычно успешно внедрялся в сообщество. При этом 3,1% инвазий были очень успешными: линии патогенов сохранялись в течение 50 000 обновлений.
Затем ученые посмотрели, как захватчики влияли на сообщества после вторжения. В целом они незначительно повлияли на разнообразие свободноживущих организмов. Относительная разница между инвазивным сообществом и контрольным составила 0,3%. Однако в 1,1% случаев захватчики ускоряли исчезновение свободноживущих видов по сравнению с контролем на 31,9% или, наоборот, ускоряли прирост количества хозяев на 12%. Это могло быть связано с «гонкой вооружения» между патогенами и хозяевами. Учитывая, что ежегодно только при таянии неантарктических ледников вымывается 4*10^21 клеток, результаты ученых подтверждают опасность даже 1% захватчиков.
И наконец, исследователи определили особенности, влияющие на успех вторжения. Так, размер мира, изобилие и разнообразие ресурсов не влияли на результаты моделирования. Значимым оказалось соотношение между патогенами, захватчиками и хозяевами. Высокое разнообразие и обилие патогенов могло снизить вероятность того, что захватчики установятся в сообществах. Эти результаты подчеркивают важность сохранения не только свободноживущих видов, но также их патогенов и паразитов.
«Мы обнаружили, что вторгающиеся патогены часто могут выживать, эволюционировать и в некоторых случаях становиться исключительно устойчивыми и доминирующими в сообществе, вызывая либо существенные потери, либо изменения в количестве живых видов. Таким образом, наши результаты свидетельствуют о том, что непредсказуемые угрозы, которые до сих пор ограничивались научной фантастикой, в реальности могут представлять серьезную опасность как мощные движущие силы экологического ущерба», — рассказывают авторы исследования.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
