An einem einzigen Tag könnten in den ruhigen Gewässern eines einzigen Teichs eine Million Viruspartikel in einen einzelligen Organismus eindringen, der für die winzigen Haare oder Zilien bekannt ist, die ihn durch diese Gewässer treiben.
In den letzten drei Jahren war John DeLong von der University of Nebraska-Lincoln damit beschäftigt, ein potenzielles Geheimnis zu entdecken: Diese Viruspartikel sind nicht nur eine Infektionsquelle, sondern auch Nahrung.
In einer Pac-Man-würdigen Wendung haben DeLong und seine Kollegen herausgefunden, dass eine Halteria-Art – mikroskopisch kleine Ciliaten, die Süßwasser weltweit bevölkern – eine große Anzahl infektiöser Chlorviren fressen kann, die ihren aquatischen Lebensraum teilen. Zum ersten Mal haben die Laborexperimente des Teams auch gezeigt, dass eine reine Virusdiät, die das Team „Virovory“ nennt, ausreicht, um das physiologische Wachstum und sogar das Populationswachstum eines Organismus anzukurbeln.
Chloroviren, eine karriereprägende Entdeckung von James Van Etten aus Nebraska, sind dafür bekannt, mikroskopisch kleine Grünalgen zu infizieren. Schließlich lassen die eindringenden Chlorviren ihre einzelligen Wirte wie Ballons platzen und verschütten Kohlenstoff und andere lebenserhaltende Elemente ins offene Wasser. Dieser Kohlenstoff, der an Raubtiere der winzigen Kreaturen gegangen sein könnte, wird stattdessen von anderen Mikroorganismen aufgesaugt – ein düsteres Recyclingprogramm im Kleinen und scheinbar für die Ewigkeit.
„Das hält wirklich nur den Kohlenstoff in dieser Art von mikrobieller Suppenschicht niedrig und hält die Weidetiere davon ab, Energie in die Nahrungskette aufzunehmen“, sagte DeLong, außerordentlicher Professor für biologische Wissenschaften in Nebraska.
Aber wenn Ciliaten dieselben Viren zum Abendessen essen, könnte Virovory das Kohlenstoffrecycling ausgleichen, das die Viren bekanntermaßen aufrechterhalten. Es ist möglich, sagte DeLong, dass Virovory die Flucht von Kohlenstoff aus dem Bodensatz der Nahrungskette unterstützt und begünstigt und ihm eine Aufwärtsmobilität verleiht, die Viren ansonsten unterdrücken.
„Wenn Sie eine grobe Schätzung darüber multiplizieren, wie viele Viren es gibt, wie viele Ciliaten es gibt und wie viel Wasser es gibt, kommt es zu dieser enormen Energiebewegung (die Nahrungskette hinauf)“, sagte DeLong, der das schätzte Ciliaten in einem kleinen Teich könnten 10 Billionen Viren pro Tag fressen. „Wenn dies in dem Ausmaß geschieht, von dem wir glauben, dass es sein könnte, sollte es unsere Sicht auf den globalen Kohlenstoffkreislauf vollständig ändern.“
„Niemand hat es bemerkt“
DeLong war bereits mit den Möglichkeiten vertraut, wie Chlorviren sich in einem Nahrungsnetz verfangen können. Im Jahr 2016 arbeitete der Ökologe mit Van Etten und dem Virologen David Dunigan zusammen, um zu zeigen, dass Chlorviren nur dann Zugang zu Algen erhalten, die normalerweise in einer Gattung von Ciliaten namens Paramecia eingeschlossen sind, wenn winzige Krebstiere die Paramecia fressen und die neu freigelegten Algen ausscheiden.
Diese Erkenntnis brachte DeLong in „einen anderen Kopfraum“, wenn es darum ging, über Viren nachzudenken und sie zu untersuchen. Angesichts der schieren Fülle von Viren und Mikroorganismen im Wasser hielt er es für unvermeidlich, dass – selbst wenn man eine Infektion beiseite ließ – erstere manchmal in letzteren landeten.
„Es schien offensichtlich, dass alle ständig Viren in den Mund bekommen müssen“, sagte er. „Es schien, als müsste es passieren, weil es einfach so viel davon im Wasser gibt.“
Also tauchte DeLong in die Forschungsliteratur ein, um mit allen Studien über Wasserorganismen aufzutauchen, die Viren fressen, und idealerweise mit dem, was passierte, als sie es taten. Er kam mit herzlich wenig heraus. Eine Studie aus den 1980er Jahren hatte berichtet, dass einzellige Protisten in der Lage seien, Viren zu verzehren, ging aber nicht weiter darauf ein. Eine Handvoll Papiere aus der Schweiz zeigten später, dass Protisten anscheinend Viren aus Abwässern entfernten.
„Und das war es“, sagte DeLong.
Es gab nichts über die möglichen Folgen für die Mikroorganismen selbst, geschweige denn für die Nahrungsnetze oder Ökosysteme, zu denen sie gehörten. Das überraschte DeLong, der wusste, dass Viren nicht nur auf Kohlenstoff aufgebaut sind, sondern auch auf anderen elementaren Eckpfeilern des Lebens. Sie waren, zumindest hypothetisch, alles andere als Junk Food.
„Sie bestehen aus wirklich gutem Material: Nukleinsäuren, viel Stickstoff und Phosphor“, sagte er. „Alle sollten sie essen wollen.
„So viele Dinge fressen alles, was sie in die Finger bekommen können. Bestimmt hätte irgendjemand gelernt, diese wirklich guten Rohstoffe zu essen.“
Als Ökologe, der einen Großteil seiner Zeit damit verbringt, die Räuber-Beute-Dynamik mit Mathematik zu beschreiben, war sich DeLong nicht ganz sicher, wie er seine Hypothese untersuchen sollte. Letztendlich entschied er sich, es einfach zu halten. Zuerst würde er ein paar Freiwillige brauchen. Er fuhr zu einem nahe gelegenen Teich und sammelte Wasserproben. Zurück in seinem Labor sperrte er alle Mikroorganismen, die er handhaben konnte, unabhängig von der Art, in Wassertropfen ein. Schließlich fügte er großzügige Portionen Chlorovirus hinzu.
Nach 24 Stunden suchte DeLong die Tropfen nach Anzeichen dafür ab, dass jede Art die Gesellschaft des Chlorovirus zu genießen schien – dass sogar eine Art das Virus weniger als Bedrohung denn als Snack behandelte. In Halteria hat er sie gefunden.
„Zuerst war es nur ein Hinweis darauf, dass es mehr von ihnen gibt“, sagte DeLong über die Ciliaten. „Aber dann waren sie groß genug, dass ich tatsächlich einige mit einer Pipettenspitze greifen, sie in einen sauberen Tropfen geben und sie zählen konnte.“
Die Zahl der Chlorviren sank in nur zwei Tagen um das Hundertfache. Die Bevölkerung von Halteria, die außer dem Virus nichts zu essen hatte, wuchs im gleichen Zeitraum im Durchschnitt um das 15-fache. Halteria, denen das Chlorovirus entzogen wurde, wuchs unterdessen überhaupt nicht.
Um zu bestätigen, dass die Halteria das Virus tatsächlich konsumierte, markierte das Team einen Teil der Chlorvirus-DNA mit einem fluoreszierenden grünen Farbstoff, bevor es das Virus in die Ciliaten einführte. Tatsächlich leuchtete das bewimperte Äquivalent eines Magens, seine Vakuole, bald grün.
Es war unverkennbar: Die Ciliaten fraßen das Virus. Und dieser Virus hielt sie aufrecht.
„Ich habe meine Co-Autoren angerufen: ‚Sie sind gewachsen! Wir haben es geschafft!’“, sagte DeLong über die Ergebnisse, die jetzt im Journal detailliert beschrieben werden Proceedings of the National Academy of Sciences. „Ich bin begeistert, etwas so Grundlegendes zum ersten Mal sehen zu können.“
DeLong war noch nicht fertig. Die mathematische Seite von ihm fragte sich, ob diese besondere Räuber-Beute-Dynamik, so seltsam sie auch schien, Gemeinsamkeiten mit den eher Fußgängerpaaren aufweisen könnte, an deren Untersuchung er gewöhnt war.
Er begann damit, den Rückgang des Chlorovirus gegen das Wachstum der Halteria aufzuzeichnen. Diese Beziehung, fand DeLong, passt im Allgemeinen zu jenen Ökologen, die bei anderen mikroskopisch kleinen Jägern und ihren Gejagten beobachtet wurden. Die Halteria wandelte auch etwa 17 % der verzehrten Chlorovirus-Masse in eigene neue Masse um, was genau den Prozentzahlen entspricht, die beobachtet werden, wenn Pantoffeltierchen Bakterien und millimeterlange Krebstiere Algen fressen. Sogar die Rate, mit der Ciliaten das Virus jagten, und die ungefähr 10.000-fache Ungleichheit ihrer Größe stimmen mit anderen aquatischen Fallstudien überein.
„Ich war motiviert, festzustellen, ob das komisch war oder nicht, oder ob es passte“, sagte DeLong. „Das ist nicht seltsam. Es ist nur, dass es niemand bemerkt hat.“
DeLong und seine Kollegen haben seitdem andere Ciliaten identifiziert, die wie Halteria allein durch das Fressen von Viren gedeihen können. Je mehr sie aufdecken, desto wahrscheinlicher scheint es, dass Virovory in freier Wildbahn vorkommen könnte. Es ist eine Aussicht, die den Kopf des Ökologen mit Fragen erfüllt: Wie könnte sie die Struktur von Nahrungsnetzen formen? Die Evolution und Artenvielfalt in ihnen? Ihre Widerstandsfähigkeit angesichts des Aussterbens?
Auch hier hat er sich dafür entschieden, es einfach zu halten. Sobald der Winter in Nebraska nachlässt, wird DeLong zum Teich zurückkehren.
„Nun“, sagte er, „müssen wir herausfinden, ob das in der Natur wahr ist.“
Mehr Informationen:
DeLong, John P., Der Verzehr von Viren gibt Nahrungsketten Energie zurück, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2215000120. doi.org/10.1073/pnas.2215000120