Фото предоставлено Алами
Существа, которые поедают другие виды смертельно ядовитых животных и растений, выработали целый набор хитрых стратегий, чтобы выжить.
Десять змей оказались в сложной ситуации.
Их поймали в колумбийской Амазонии, после чего они провели в неволе несколько дней без еды. Затем змеям досталась крайне неаппетитная добыча: трехполосая древесная лягушка Ameerega trivittata.
Кожа этих лягушек содержит смертельные токсины, такие как гистрионикотоксины, пумилиотоксины и декагидрохинолины, которые разрушают жизненно важные клеточные белки.
Шесть королевских земляных змей (Erythrolamprus reginae) предпочли голодать.
Оставшиеся четверо храбро поползли к добыче. Но прежде чем съесть пищу, они тащили лягушек по земле, подобно тому, как некоторые птицы счищают токсины со своей добычи, отмечают биолог Валерия Рамирес Кастанеда из Калифорнийского университета в Беркли и ее коллеги, проводившие эксперимент.
Три из четырех змей пережили трапезу – свидетельство способности их тел справляться с оставшимися токсинами.
Живые существа использовали смертоносные молекулы, чтобы убивать друг друга на протяжении сотен миллионов лет.
Впервые появились микробы, которые использовали химические вещества для устранения конкурентов или нападения на клетки зараженных ими хозяев. Затем животные – чтобы убить добычу или отпугнуть хищников, а растения – чтобы защититься от травоядных.
В ответ многие животные выработали механизмы выживания под воздействием этих токсинов. Иногда они даже копят их, чтобы использовать против противников.
Ученые начинают открывать эти гениальные антитоксические механизмы защиты и надеются найти более эффективные методы лечения отравлений человека.
В более широком смысле, они узнают о силе, которая незаметно формировала биологические сообщества, — говорит биолог-эволюционист Ребекка Тарвин из Калифорнийского университета в Беркли, которая помогала проводить исследование змей и писала о таких стратегиях в Ежегодном обзоре экологии, эволюции и систематики за 2023 год.
«Всего миллиграмм одного соединения может изменить все взаимодействия в экосистеме», — говорит Тарвин.
Биологическая война
Виды становятся токсичными по-разному. Некоторые производят свои собственные яды: например, жабы семейства Bufonidae синтезируют молекулы, называемые сердечными гликозидами, и блокируют белок, называемый натриево-калиевым насосом, который перекачивает ионы в клетки и из них.
Такая накачка имеет решающее значение для поддержания объема клеток, сокращения мышц и передачи нервных импульсов.
В организме других животных содержатся бактерии, вырабатывающие токсины, например, рыба фугу, мясо которой содержит тетродотоксин и может быть смертельным.
И многие другие получают токсины с пищей — примеры ядовитые лягушки, которые поедают токсичных насекомых и клещей; среди этих лягушек были и лягушки, которыми кормили земляных змей.
Когда некоторые животные эволюционировали и стали токсичными, они также перепроектировали свои тела, чтобы избежать отравления. То же самое произошло и с существами, которые их едят или питаются ими.
Наиболее изученные адаптации — это изменения в белках, которые обычно блокируются токсинами, но теперь стали к ним устойчивы. Например, насекомые, которые растут и питаются на богатых гликозидами тополях, развили натриево-калиевые насосы, к которым гликозид не может прикрепиться.
Фото предоставлено: Hirampereira/iNaturalist
Но изменение жизненно важной молекулы может создать проблемы для существа, говорит молекулярный биолог Сюзанна Доблер из Гамбургского университета в Германии.
В своих исследованиях крупных хлопковых жуков, питающихся семенами хлопка, она обнаружила, что чем более устойчивым к гликозидам становится насос, тем менее он эффективен. И это проблема нервных клеток, где насос особенно важен.
Но, похоже, эта ошибка возникла таким образом, чтобы ее обойти. В исследовании 2023 года Доблер и его коллеги изучили устойчивость к токсинам в трех версиях насоса, производимого этим существом.
Они узнали, что наиболее функциональная часть мозга одновременно и наиболее чувствительна к токсинам. Поэтому жуку пришлось разработать другие способы защиты мозга от гликозидов, говорит Доблер.
Она подозревает, что в этом замешаны белки, называемые транспортерами ABCB: эти белки находятся в клеточных мембранах и выносят отходы и нежелательные вещества из клеток.
Исследователь обнаружил, что некоторые дрожжи используют белки-транспортеры ABCB вокруг нервной ткани для удаления сердечных гликозидов из клеток. Возможно, ватный клоп делает нечто подобное.
Доблер также проверяет гипотезу о том, что у многих насекомых в кишечных мембранах есть транспортеры ABCB, которые предотвращают попадание токсинов в организм.
Это может объяснить, почему ярко-красный луковый жук, питающийся богатым гликозидами ландышем, полностью игнорирует токсины и просто выводит их из организма. В то же время дефекация отпугивает хищных муравьев, сообщил Доблер в 2023 году.
У королевских земляных змей печень, по-видимому, играет ключевую роль. В результате экспериментов на клеточных культурах команда Тарвина получила доказательства того, что экстракт печени змей содержит что-то, что защищает их от токсинов трехполосых древесных лягушек.
Команда выдвигает гипотезу, что у змей есть ферменты, которые преобразуют смертоносные вещества в нетоксичные формы, точно так же, как человеческий организм перерабатывает алкоголь и никотин.
Змеиная печень также может содержать белки, которые связывают токсины и не позволяют им прикрепляться к целевым белкам, поглощая их, как губки. Ученые обнаружили в крови некоторых ядовитых лягушек такие белки, «улавливающие токсины», которые позволяют им противостоять смертоносным сакситоксинам и алкалоидным токсинам, которые они получают с пищей.
Фото предоставлено: Getty Images
Калифорнийские суслики, по-видимому, используют аналогичный трюк, чтобы защитить себя от яда гремучей змеи, смеси из десятков токсинов, которые разрушают стенки кровеносных сосудов и предотвращают кровотечение. свертывание крови и т. д.
В крови сусликов есть белки, которые блокируют некоторые из этих токсинов – подобно тому, что гремучие змеи используют, чтобы защитить себя, если яд случайно выйдет из их специализированных желез.
Состав яда варьируется в зависимости от популяции змей, и биолог-эволюционист Мэтью Голдинг из Мичиганского университета располагает доказательствами того, что смесь противоядия сусликов адаптирована к местным змеям.
Но такая защита не является абсолютной. По словам Голдинга, гремучие змеи постоянно производят новый яд, чтобы преодолеть белковую адаптацию, и даже гремучая змея умрет, если ей введут достаточное количество собственного яда.
Вот почему животные, даже устойчивые, в первую очередь стараются избегать токсинов.
Отсюда и поведение змей, которые тащат свою добычу по земле, и практика некоторых черепах поедать только кожу брюха и внутренности ядовитых тритонов, избегая смертельной кожи спины.
Даже гусеница-монарх, устойчивая к гликозидам, перерезает жилки хвоста, чтобы слить токсичный сок перед тем, как съесть растение.
Присвоение токсина
Многие животные также находят способы безопасно хранить потребляемые токсины и использовать их в своих целях.
Например, жук радужной форели получает сердечные гликозиды из растений-хозяев, а затем – предположительно с помощью транспортеров ABCB – переносит их на свою спину для самозащиты.
«Если вы каким-либо образом раздражаете этих жуков, вы можете увидеть маленькие капли на их надкрыльях», — говорит Доблер.
Благодаря такому «присвоению» яда некоторые насекомые попадают в зависимость от растений-хозяев. Взаимоотношения бабочки-монарха и растения хлопчатника являются ярким примером – и в то же время примером далеко идущего влияния таких переплетающихся связей.
В исследовании 2021 года биолог-эволюционист и генетик Ной Вайтман из Калифорнийского университета в Беркли и его коллеги выявили четырех животных, у которых развилась толерантность к сердечным гликозидам, что позволило им питаться монархами.
Один из них — черноголовый кардинал-дубонис, птица, охотящаяся на монархов в мексиканских еловых лесах, куда прилетают зимовать бабочки.
Подумайте об этом, говорит Вайтман: Токсин, синтезированный в хлопчатнике в прериях Онтарио, помог сформировать биологию птицы так, что она может безопасно добывать пищу в лесу за тысячи миль от нее.
«Это просто потрясающе», — говорит он. «Путешествие, которое прошла эта маленькая молекула, и ее влияние на эволюцию».
