Anpassung von Viren an Wetterextreme liefert Erkenntnisse zum Klimawandel

Im Gletschereis konservierte uralte Viren enthalten wertvolle Informationen über die Veränderungen des Klimas auf der Erde, wie eine neue Studie nahelegt.

Der Guliya-Gletscher, der sich über 6000 Meter hoch im äußersten Nordwesten des tibetischen Plateaus befindet, ist seit Jahrzehnten eines der reichhaltigsten Archive, das Wissenschaftlern zur Verfügung steht, um großflächige Veränderungen des Paläoklimas zu untersuchen. Durch die Analyse von Eiskernproben aus dem Gletscher haben Mikrobiologen nun Teile der darin verbliebenen Virus-DNA rekonstruiert und fast 1.700 Virusarten identifiziert, von denen etwa drei Viertel neu entdeckt wurden.

Das Bohren in prähistorisches Eis hat keine gesundheitlichen Folgen für den heutigen Menschen, da diese lange inaktiven Viren wahrscheinlich eher andere dominante Mikroben als Tiere oder Menschen infizierten. Forscher fanden jedoch heraus, dass ihre Anpassungen die Überlebensfähigkeit ihrer Wirte unter extremen Bedingungen während der Schwankungen der Klimazyklen der Erde erheblich beeinflussten.

„Vor dieser Arbeit war der Zusammenhang zwischen Viren und großflächigen Klimaveränderungen auf der Erde weitgehend unerforscht“, sagte ZhiPing Zhong, Hauptautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Byrd Polar and Climate Research Center der Ohio State University. „Gletschereis ist so wertvoll und wir verfügen oft nicht über die großen Mengen an Material, die für die Viren- und Mikrobenforschung erforderlich sind.“

Da die beispiellose Erwärmung das Gletscherschmelzen weiter beschleunigt, hat der Wettlauf um die Sammlung dieser Eiskerne, bevor sie für immer verschwinden, ihren wissenschaftlichen Wert nur noch gesteigert. So lieferten die in dieser Arbeit untersuchten Eisschichten beispielsweise makellose Momentaufnahmen davon, wie sich Viren während dreier Kalt-Warm-Perioden der letzten 41.000 Jahre verhalten haben.

Die Studie war veröffentlicht heute in Naturgeowissenschaften.

Von den verschiedenen neu gemeldeten Virentypen datiert die am stärksten ausgeprägte Virengemeinschaft, die das Team beobachtete, auf die Zeit vor etwa 11.500 Jahren, in der es zu einem großen Klimaübergang von der kalten letzten Eiszeit zum warmen Holozän kam.

Dies deutet darauf hin, dass Mikroorganismen auf den Klimawandel reagierten, als die globalen Temperaturen von kühl auf warm wechselten. Es sei jedoch noch zu früh, um dies mit Sicherheit sagen zu können, sagte Zhong. „Dies deutet zumindest auf einen möglichen Zusammenhang zwischen Viren und Klimawandel hin“, sagte er.

Mithilfe moderner Sequenzierungstechnologien konnte das Team die genetischen Signaturen genauer untersuchen. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die meisten der im Gletscher gefundenen Viren zwar nur in Guliya vorkommen, sich aber bei etwa einem Viertel der Viren mit bekannten Organismen aus anderen Teilen der Welt überschneiden. „Das bedeutet, dass einige von ihnen möglicherweise aus Gebieten wie dem Nahen Osten oder sogar der Arktis eingeschleppt wurden“, sagte Zhong.

Wenn man sich die Zeit nimmt, besser zu verstehen, wie sich Viren während extremer Klimaperioden entwickelten, kann man laut Forschern wichtige Erkenntnisse gewinnen, um vorhersagen zu können, wie moderne Viren wahrscheinlich auf zukünftige Ökosystemerwärmungen reagieren und mit ihnen interagieren werden. Da zudem in Eisbohrkernen gefundene Organismen die Vielfalt der Informationen erweitern, die Forscher über diese Zeiträume gewinnen können, könnte das Auffinden und Sequenzieren neuer Abschnitte alter Virus-DNA zu einer Explosion neuer Rätsel und neuer Erkenntnisse führen.

„Für mich ist diese Wissenschaft ein neues Werkzeug, das grundlegende Klimafragen beantworten kann, die wir anders nicht hätten beantworten können“, sagte Lonnie Thompson, Co-Autor der Studie und Professor für Geowissenschaften an der Ohio State University.

Die Verfeinerung dieser Techniken auf der Erde werde den Wissenschaftlern wahrscheinlich neue Werkzeuge an die Hand geben, um die Suche nach Leben im Weltraum auszuweiten und so die Bemühungen zu unterstützen, Mikroben in den Eisfeldern des Mars oder unter den Eisschalen anderer Himmelskörper zu finden, sagte Thompson.

Forscher, die hier auf der Erde weitere Verbindungen zwischen Viren und dem Klima herstellen möchten, könnten auch von künftigen technologischen Fortschritten sowie vielfältigen wissenschaftlichen Forschungsansätzen profitieren, heißt es in der Studie. Doch die Uhr tickt, so die Autoren: Diese Techniken müssen umgesetzt werden, bevor die Erwärmung das Gletschereis gefährdet, das zur Erhaltung und weiteren Erforschung der reichen Geschichte der Erde erforderlich ist.

„Ich bin optimistisch, was hier erreicht werden kann, denn wenn wir zusammenarbeiten, können uns diese Techniken dabei helfen, eine große Bandbreite wissenschaftlicher Probleme anzugehen“, sagte Thompson.

Matthew Sullivan, Co-Autor der Studie und Professor für Mikrobiologie sowie Bau-, Umwelt- und Geodäsietechnik an der Ohio State University, sagte, der Erfolg der Studie sei darauf zurückzuführen, wie gut der interdisziplinäre Ansatz des Byrd Polar and Climate Research Center und des Center of Microbiome Science der Ohio State University zur Entwicklung neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse beigetragen habe.

„Diese Art von Gelegenheit steht für die Zusammenführung mehrerer Disziplinen, von denen jede ihre eigene wissenschaftliche Sprache hat, die ein Hindernis darstellt“, sagte er. „Aber dass wir mit diesem Team alte Viren und Mikroben im Eis untersuchen konnten, ist ein Beweis für die Unterstützung, die wir bei der Erforschung neuer Schnittstellen hatten.“

Weitere Co-Autoren sind Ellen Mosley-Thompson, Olivier Zablocki, Yueh-Fen Li und Virginia Rich vom Ohio State sowie James Van Etten von der University of Nebraska.