Several means for improving the performance and training of neural networks for classification are proposed. Crossvalidation is used as a tool for optimizing network parameters and architecture. It is shown that the remaining residual generalization error can be reduced by invoking ensembles of similar networks.< >

Viruses are the most common biological entities in the oceans by an order of magnitude. However, very little is known about their diversity. Here we report a genomic analysis of two uncultured marine viral communities. Over 65% of the sequences were not significantly similar to previously reported sequences, suggesting that much of the diversity is previously uncharacterized. The most common significant hits among the known sequences were to viruses. The viral hits included sequences from all of the major families of dsDNA tailed phages, as well as some algal viruses. Several independent mathematical models based on the observed number of contigs predicted that the most abundant viral genome comprised 2–3% of the total population in both communities, which was estimated to contain between 374 and 7,114 viral types. Overall, diversity of the viral communities was extremely high. The results also showed that it would be possible to sequence the entire genome of an uncultured marine viral community.

Viruses are the most common biological entities in the marine environment. There has not been a global survey of these viruses, and consequently, it is not known what types of viruses are in Earth's oceans or how they are distributed. Metagenomic analyses of 184 viral assemblages collected over a decade and representing 68 sites in four major oceanic regions showed that most of the viral sequences were not similar to those in the current databases. There was a distinct "marine-ness" quality to the viral assemblages. Global diversity was very high, presumably several hundred thousand of species, and regional richness varied on a North-South latitudinal gradient. The marine regions had different assemblages of viruses. Cyanophages and a newly discovered clade of single-stranded DNA phages dominated the Sargasso Sea sample, whereas prophage-like sequences were most common in the Arctic. However most viral species were found to be widespread. With a majority of shared species between oceanic regions, most of the differences between viral assemblages seemed to be explained by variation in the occurrence of the most common viral species and not by exclusion of different viral genomes. These results support the idea that viruses are widely dispersed and that local environmental conditions enrich for certain viral types through selective pressure.

Mucosal surfaces are a main entry point for pathogens and the principal sites of defense against infection. Both bacteria and phage are associated with this mucus. Here we show that phage-to-bacteria ratios were increased, relative to the adjacent environment, on all mucosal surfaces sampled, ranging from cnidarians to humans. In vitro studies of tissue culture cells with and without surface mucus demonstrated that this increase in phage abundance is mucus dependent and protects the underlying epithelium from bacterial infection. Enrichment of phage in mucus occurs via binding interactions between mucin glycoproteins and Ig-like protein domains exposed on phage capsids. In particular, phage Ig-like domains bind variable glycan residues that coat the mucin glycoprotein component of mucus. Metagenomic analysis found these Ig-like proteins present in the phages sampled from many environments, particularly from locations adjacent to mucosal surfaces. Based on these observations, we present the bacteriophage adherence to mucus model that provides a ubiquitous, but non–host-derived, immunity applicable to mucosal surfaces. The model suggests that metazoan mucosal surfaces and phage coevolve to maintain phage adherence. This benefits the metazoan host by limiting mucosal bacteria, and benefits the phage through more frequent interactions with bacterial hosts. The relationships shown here suggest a symbiotic relationship between phage and metazoan hosts that provides a previously unrecognized antimicrobial defense that actively protects mucosal surfaces.

ABSTRACT Here we present the first metagenomic analyses of an uncultured viral community from human feces, using partial shotgun sequencing. Most of the sequences were unrelated to anything previously reported. The recognizable viruses were mostly siphophages, and the community contained an estimated 1,200 viral genotypes.

ABSTRACT Recent studies have highlighted the surprising richness of soil bacterial communities; however, bacteria are not the only microorganisms found in soil. To our knowledge, no study has compared the diversities of the four major microbial taxa, i.e., bacteria, archaea, fungi, and viruses, from an individual soil sample. We used metagenomic and small-subunit RNA-based sequence analysis techniques to compare the estimated richness and evenness of these groups in prairie, desert, and rainforest soils. By grouping sequences at the 97% sequence similarity level (an operational taxonomic unit [OTU]), we found that the archaeal and fungal communities were consistently less even than the bacterial communities. Although total richness levels are difficult to estimate with a high degree of certainty, the estimated number of unique archaeal or fungal OTUs appears to rival or exceed the number of unique bacterial OTUs in each of the collected soils. In this first study to comprehensively survey viral communities using a metagenomic approach, we found that soil viruses are taxonomically diverse and distinct from the communities of viruses found in other environments that have been surveyed using a similar approach. Within each of the four microbial groups, we observed minimal taxonomic overlap between sites, suggesting that soil archaea, bacteria, fungi, and viruses are globally as well as locally diverse.

An analysis of 24 coral reef viromes challenges the view that lytic phage are believed to predominate when the density of their hosts increase and shows instead that lysogeny is more important at high host densities; the authors also show that this model is consistent with predator–prey dynamics in a range of other ecosystems, such as animal-associated, sediment and soil systems. Microbial viruses can control host abundances via density-dependent lytic predator–prey dynamics. Less clear is how temperate viruses, which coexist and replicate with their host, influence microbial communities. Here we show that virus-like particles are relatively less abundant at high host densities. This suggests suppressed lysis where established models predict lytic dynamics are favoured. Meta-analysis of published viral and microbial densities showed that this trend was widespread in diverse ecosystems ranging from soil to freshwater to human lungs. Experimental manipulations showed viral densities more consistent with temperate than lytic life cycles at increasing microbial abundance. An analysis of 24 coral reef viromes showed a relative increase in the abundance of hallmark genes encoded by temperate viruses with increased microbial abundance. Based on these four lines of evidence, we propose the Piggyback-the-Winner model wherein temperate dynamics become increasingly important in ecosystems with high microbial densities; thus ‘more microbes, fewer viruses’. Lytic phage can control the abundance of their microbial hosts in a density-dependent manner with 'kill-the-winner' predation dynamics. It was widely assumed that lytic phages would dominate in nutrient-rich conditions favouring high host density, and that lysogenic phage, which integrate into their hosts instead of lysing them, tend to dominate when host numbers are low. This meta-analysis of 24 coral reef viromes challenges that view. Ben Knowles et al. find that lysogeny is more important than lysis at high, rather than low host densities. The authors term this the 'Piggyback-the-Winner' model, and show that it is consistent with predator–prey dynamics in a range of other ecosystems, including animal-associated, sediment, and soil systems.

Until the 19th century, technology was essentially the domain of skilled artisans and constructors who relied on practical experience to design and build their machines. One of the first efforts to use physical theory to study the functioning of machines was undertaken by the French engineer Sadi Carnot. Motivated by the concern of the French about the superiority of British steam engines, he undertook a systematic study of the physical processes governing steam engines, resulting in his remarkable paper Reflexions sur la puissance motrice du feu (On the Motive Power of Heat) published in 1826. Among the earliest successes of this new science, thermodynamics, was the formulation of criteria describing how well real processes perform in comparison with an ideal model. Carnot showed that any engine, using heat from a hot reservoir at temperature Th to do work, has to transfer some heat to a reservoir at lower temperature T1, and that no engine could convert into work more of the heat taken in at Th than the fraction ηC = 1−(T1/Th) known as the Carnot efficiency.

Abstract The species composition and metabolic potential of microbial and viral communities are predictable and stable for most ecosystems. This apparent stability contradicts theoretical models as well as the viral–microbial dynamics observed in simple ecosystems, both of which show Kill-the-Winner behavior causing cycling of the dominant taxa. Microbial and viral metagenomes were obtained from four human-controlled aquatic environments at various time points separated by one day to &gt;1 year. These environments were maintained within narrow geochemical bounds and had characteristic species composition and metabolic potentials at all time points. However, underlying this stability were rapid changes at the fine-grained level of viral genotypes and microbial strains. These results suggest a model wherein functionally redundant microbial and viral taxa are cycling at the level of viral genotypes and virus-sensitive microbial strains. Microbial taxa, viral taxa, and metabolic function persist over time in stable ecosystems and both communities fluctuate in a Kill-the-Winner manner at the level of viral genotypes and microbial strains.

Abstract Corals have built reefs on the benthos for millennia, becoming an essential element in marine ecosystems. Climate change and human impact, however, are favoring the invasion of non-calcifying benthic algae and reducing coral coverage. Corals rely on energy derived from photosynthesis and heterotrophic feeding, which depends on their surface area, to defend their outer perimeter. But the relation between geometric properties of corals and the outcome of competitive coral-algal interactions is not well known. To address this, 50 coral colonies interacting with algae were sampled in the Caribbean island of Curaçao. 3D and 2D digital models of corals were reconstructed to measure their surface area, perimeter, and polyp sizes. A box counting algorithm was applied to calculate their fractal dimension. The perimeter and surface dimensions were statistically non-fractal, but differences in the mean surface fractal dimension captured relevant features in the structure of corals. The mean fractal dimension and surface area were negatively correlated with the percentage of losing perimeter and positively correlated with the percentage of winning perimeter. The combination of coral perimeter, mean surface fractal dimension, and coral species explained 19% of the variability of losing regions, while the surface area, perimeter, and perimeter-to-surface area ratio explained 27% of the variability of winning regions. Corals with surface fractal dimensions smaller than two and small perimeters displayed the highest percentage of losing perimeter, while corals with large surface areas and low perimeter-to-surface ratios displayed the largest percentage of winning perimeter. This study confirms the importance of fractal surface dimension, surface area, and perimeter of corals in coral-algal interactions. In combination with non-geometrical measurements such as microbial composition, this approach could facilitate environmental conservation and restoration efforts on coral reefs.