في أحد الأيام الصافية، عندما كان تشارلز داروين طالبًا في جامعة كامبريدج، قام عالم الطبيعة المبتدئ بنزع بعض اللحاء القديم عن إحدى الأشجار ووجد تحتها اثنتين من الخنافس النادرة. وقد التقط واحدة في كل يد، في الوقت الذي لاحظ فيه وجود خنفسة ثالثة. وضع واحدة من الحشرتين في فمه للحفاظ عليها، ومد يده لالتقاط العينة الجديدة - حين أحرق لسانه رذاذ مباغت من سائل ساخن ومر الطعم.
One fine day, when Charles Darwin was still a student at Cambridge, the budding naturalist tore some old bark off a tree and found two rare beetles underneath. He’d just taken one beetle in each hand when he spotted a third beetle. Stashing one of the insects in his mouth for safekeeping, he reached for the new specimen – when a sudden spray of hot, bitter fluid scalded his tongue.
خنفساء بومباردييه كانت هي من هاجمت داروين. إنها واحدة من آلاف الأنواع الحيوانية، مثل الضفادع، وقناديل البحر، والسلمندر، والثعابين. التي تستعمل مواد كيميائية سامة للدفاع عن نفسها - في هذه الحالة، عن طريق قذف السائل السام من الغدد الموجودة في بطنها. لكن لماذا هذه المادة الكاوية التي تُقذف عند 100 درجة مئوية، لا تؤذي الخنفساء نفسها؟ بل كيف يمكن لأي من الحيوانات السامة أن تنجو من السموم الذي تفرزها بنفسها؟ يكمن الجواب في استخدامها واحدة من اثنتين من الإستراتجيات الأساسية: تخزين هذه السموم بطريقة آمنة أو تطوير نفسها لتصبح منيعةً لها.
Darwin’s assailant was the bombardier beetle. It’s one of thousands of animal species, like frogs, jellyfish, salamanders, and snakes, that use toxic chemicals to defend themselves – in this case, by spewing poisonous liquid from glands in its abdomen. But why doesn’t this caustic substance, ejected at 100 degrees Celsius, hurt the beetle itself? In fact, how do any toxic animals survive their own secretions? The answer is that they use one of two basic strategies: securely storing these compounds or evolving resistance to them.
تستخدم خنافس بومباردييه الطريقة الأولى. فهي تقوم بتخزين مكونات سمها في حجرتين منفصلتين. وعندما تشعر بالتهديد، يُفتح الصمام الموجود بين الحجرتين وتمتزج المواد في تفاعل كيميائي عنيف يقوم بإطلاق رذاذٍ مسببٍ للتآكل من الغدد، وتمر من خلال حجرة مقواة تعمل على حماية أنسجة الخنفساء الداخلية. وكذلك، تخزن قناديل البحر سمها بطريقة آمنة في هياكل تشبه الرماح تسمى "خلايا لاسعة". وتخزن الثعابين السامة سمومها الآكلة للحم، المتسببة بجلطات الدم في حجيرات متخصصة لها مخرج واحد فقط: من خلال الأنياب، ثم إلى فريستها أو من يفترسها.
Bombardier beetles use the first approach. They store ingredients for their poison in two separate chambers. When they’re threatened, the valve between the chambers opens and the substances combine in a violent chemical reaction that sends a corrosive spray shooting out of the glands, passing through a hardened chamber that protects the beetle’s internal tissues. Similarly, jellyfish package their venom safely in harpoon-like structures called nematocysts. And venomous snakes store their flesh-eating, blood-clotting compounds in specialized compartments that only have one exit: through the fangs and into their prey or predator.
تستخدم الثعابين أيضًا الإستراتيجية الثانية: مناعة بيوكيميائية ذاتية. تُصنّع الأفاعي الجرسية وأنواع أخرى من الأفاعي السامة بروتينات خاصة ترتبط مع المكونات السمية في الدم وتبطل مفعولها. وفي الوقت ذاته، طورت الضفادع السامة مناعتها ضد السموم التي تنتجها، ولكن من خلال آلية مختلفة. تدافع هذه الحيوانات الصغيرة عن نفسها باستخدام مئات من المركبات ذات طعم مر تسمى قلويات وهي تقوم بتجميعها من خلال التهامها مفصليات الأرجل الصغيرة كالعث والنمل. إحدى أقوى مركباتها القلوية هي المادة الكيميائية "إبيباتيدين"، التي تندمج مع المستقبلات التي تستقبل مادة النيكوتين في الدماغ ولكنها أقوى منها بعشر مرات على الأقل. كمية أثقل بقليل من حبة السكر يمكنها أن تقتلك.
Snakes also employ the second strategy: built-in biochemical resistance. Rattlesnakes and other types of vipers manufacture special proteins that bind and inactivate venom components in the blood. Meanwhile, poison dart frogs have also evolved resistance to their own toxins, but through a different mechanism. These tiny animals defend themselves using hundreds of bitter-tasting compounds called alkaloids that they accumulate from consuming small arthropods like mites and ants. One of their most potent alkaloids is the chemical epibatidine, which binds to the same receptors in the brain as nicotine but is at least ten times stronger. An amount barely heavier than a grain of sugar would kill you.
إذا ما الذي يحمي الضفادع السامة من أن تسمم نفسها؟ تخيل الجزيء الذي تستهدفه المادة القلوية ذات السُمّية العصبية مثل القفل، والمادة القلوية نفسها كالمفتاح. عندما يدخل هذا المفتاح السُمّي إلى داخل القفل، يطلق سلسلة من الإشارات الكهربائية والكيميائية التي يمكن أن تسبب الشلل، وفقدان الوعي، وفي نهاية المطاف، الموت. ولكن إذا قمت بتغيير شكل القفل، فإن المفتاح لن يدخل فيه. بالنسبة للضفادع السامة والكثير غيرها من الحيوانات ذات الدفاع السُمّي العصبي، فإن بعض التعديلات الجينية تغير تركيب موقع الاندماج مع المادة القلوية بما يكفي لمنع السموم العصبية من أن تحدث تأثيرها المضر.
So what prevents poison frogs from poisoning themselves? Think of the molecular target of a neurotoxic alkaloid as a lock, and the alkaloid itself as the key. When the toxic key slides into the lock, it sets off a cascade of chemical and electrical signals that can cause paralysis, unconsciousness, and eventually death. But if you change the shape of the lock, the key can’t fit. For poison dart frogs and many other animals with neurotoxic defenses, a few genetic changes alter the structure of the alkaloid-binding site just enough to keep the neurotoxin from exerting its adverse effects.
الحيوانات المطلقة للسموم، والتي تحقنها ليست الوحيدة التي يمكنها أن تطور هذه المناعة: الحيوانات المفترسة لها وفرائسها، يمكنها أيضًا. أفعى الرباط، التي تتغذى على السلمندر ذي السمية العصبية، طورت مناعة ضد سموم السلمندر من خلال بعض التغييرات الجينية ذاتها التي يستخدمها السلمندر نفسه. هذا يعني أن السلمندر الأكثر سمية يمكنه تفادي أن يتم التهامه والثعابين ذات المقاومة الأكبر يمكنها النجاة بعد تناول هذ الوجبة. النتيجة هي أن الجينات التي تحمل أعلى درجات المقاومة والسمية ستنتقل للأجيال التالية بكميات كبيرة. بتزايد السمية، تتزايد المقاومة أيضًا، في سباق تسلح تطوري يحدث منذ ملايين السنين.
Poisonous and venomous animals aren’t the only ones that can develop this resistance: their predators and prey can, too. The garter snake, which dines on neurotoxic salamanders, has evolved resistance to salamander toxins through some of the same genetic changes as the salamanders themselves. That means that only the most toxic salamanders can avoid being eaten— and only the most resistant snakes will survive the meal. The result is that the genes providing the highest resistance and toxicity will be passed on in greatest quantities to the next generations. As toxicity ramps up, resistance does too, in an evolutionary arms race that plays out over millions of years.
يظهر هذا النمط مرارًا وتكرارًا. الفئران الجنادب تقاوم السموم المؤلمة للعقارب التي تفترسها من خلال تغيّرات جينية في أجهزتها العصبية. تتغذى السحالي ذات القرون بكل سهولة على النمل الحاصد، بمقاومة لدغاته السامة مستخدمةً بلازما دم متخصصة. كما تأكل رخويات البحر الخلايا اللاسعة لقناديل البحر، وتمنع السم من إحداث مفعوله من خلال مركبات توجد في مادتها المخاطية، وتعيد استخدام السم في الدفاع عن نفسها.
This pattern appears over and over again. Grasshopper mice resist painful venom from scorpion prey through genetic changes in their nervous systems. Horned lizards readily consume harvester ants, resisting their envenomed sting with specialized blood plasma. And sea slugs eat jellyfish nematocysts, prevent their activation with compounds in their mucus, and repurpose them for their own defenses.
والأمر ذاته يسري على خنفساء بومباردييه: فالعلاجم التي تبتلعها يمكنها تحمل الرذاذ الكاوي الذي وجده داروين بغيضًا للغاية. يتم بصق معظم الخنافس بعد عدة ساعات، وعلى نحو مذهل، تكون على قيد الحياة وبحالة جيدة. لكن كيف تتمكن العلاجم من النجاة من هذه التجربة؟ هذا الأمر لا يزال لغزًا.
The bombardier beetle is no exception: the toads that swallow them can tolerate the caustic spray that Darwin found so distasteful. Most of the beetles are spit up hours later, amazingly alive and well. But how do the toads survive the experience? That is still a mystery.