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.
یک روز خوب، وقتی که چارلز داروین هنوز یک دانش آموز در کمبریج بود، طبیعت شناس تازه شکوفا شده پوست کهن سال یک درخت را کند و دوعدد سوسک کمیاب را زیر آن پیدا کرد. او هریک از سوسکها را دستانش گرفته بود که توجهش به سومین سوسک جلب شد. برای نگهداری از سوسکها یکی از آنها را درون دهانش گذاشت، و برای گرفتن گونه جدید دست دراز کرد -- که یک مرتبه مایعی داغ و تلخ باعث تاول زدن زبانش شد.
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.
حمله کننده به داروین یک سوسک بمب افکن بود. یکی از هزاران گونه حیوانات، مثل قورباغه ها، عروس دریایی، سمندرها، و مارها، که هرکدام از مواد شیمیایی برای دفاع از خودشان استفاده میکنند -- که دراین مورد، با خارج کردن مایع سمی از غدد درونی شکم همراه بود. اما چرا این ماده سوزاننده، که با دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس خارج می شود، به خود سوسک آسیبی نمیرساند؟ درحقیقت، چگونه حیوانات سمی از سم خودشان آسیبی نمیبینند؟ جواب اینجاست که آنها یکی از این دو ترفند اساسی را به کار می برند: این ترکیبات را به طور ایمن نگه میدارند یا در برابر آنها مقاوم شدهاند.
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.
سوسک بمب افکن از رویکرد نخست استفاده می کند. آن ها ترکیبات لازم برای مواد سمی را در دو محفظه جداگانه نگهداری میکنند. هنگامی که در معرض خطر قرار میگیرند، دریچه بین محفظهها باز میشود و مواد در یک واکنش شیمیایی ماهرانه با یک دیگر ترکیب شده و یک افشانه نابود کننده از غدد به بیرون شلیک میشوند، با عبور کردن از یک محفظه سخت که از بافت های داخلی سوسک مراقبت میکند. به همین ترتیب، عروسهای دریایی نیز سموم خودشان را به طور ایمن در ساختارهایی نیزه مانند به نام یاخته گزنده بسته بندی میکنند. مارهای سمی نیز ترکیبات لخته کننده خون، خورنده گوشت خودشان را در بخشهای مخصوصی که تنها یک راه خروجی دارد نگهداری میکنند: از طریق نیش و به شکار یا شکارچیان خود.
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.
مارها همچنین از ترفند دوم نیز استفاده می کنند: مقاومت در برابر مواد بیوشیمیایی مارهای زنگی و گونههای دیگر مار پروتئینهای مخصوصی تولید میکنند که اجزای زهر را در خون غیرفعال و محصور میکند. درضمن، قورباغههای نیزه سمی نیز در برابر سموم خودشان مقاوم شدهاند، اما با مکانیسمی متفاوت. این حیوانات کوچک از خودشان با استفاده از صدها ترکیب تلخ مزهای که آلکالوئید نامیده میشوند دفاع میکنند که از مصرف بیمهرگان کوچک نظیر مورچهها و کنهها به دست میآورند. یکی از نیرومندترین آلکالوئیدها اپیباتیدینهای شیمیایی هستند، که به مانند نیکوتین درمغز به گیرندههای مشابه میچسبند اما حداقل ده برابر قدرتمندترهستند. فقط مقادیر کمی سنگینتر از یک دانه شکر میتواند شما را بکشد.
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.
بنابراین چه چیزی از مسمومیت خود قورباغههای سمی جلوگیری میکند؟ مولکول هدف یک ماده عصبیسمی آلکالوئید را به عنوان یک قفل، و خود آلکالوئید را نیز به عنوان یک کلید در نظر بگیرید. وقتی که کلید سمی به داخل قفل وارد میشود، آبشار و سیلی از مواد شیمیایی و سیگنالهای الکتریکی را به جریان درمیآورد که میتواند باعث فلج شدن، بیهوشی، و حتی مرگ شود. اما اگر شکل قفل را تغییر دهید، کلید نمیتواند با آن مطابقت کند. قورباغههای نیزه سمی و بسیاری از حیوانات با دفاع به شیوه مواد سمیعصبی، کمی تغییرات ژنتیکی ساختار محل اتصال آلکالوئید را دگرگون میکنند به اندازهای که نوروتوکسین را از اعمال تاثیرات مضر حفظ کند.
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.
حیوانات سمی و زهردار تنها حیواناتی نیستند که میتوانند این مقاومت را ایجاد کنند: شکارچیها و طعمههایشان نیز میتوانند. مار گارتر آمریکایی، که از سمندرهای سمی تغذیه میکند، در برابر سموم سمندر مقاوم شده است از طریق تغییرات ژنتیکی مشابهی دقیقا مثل خود سمندرها. به این معنا که تنها سمیترین سمندرها میتوانند از خورده شدن در امان بمانند -- و تنها مقاومترین مارها میتوانند از وعده غذاییشان نجات پیدا کنند. نتیجه این است که ژنهایی که بیشترین مقاومت و سمی بودن را فراهم میکنند به بیشترین میزان به نسلهای بعد منتقل خواهند شد. هر میزان سمی بودن بیشتر میشود، مقاومت هم بیشتر خواهد شد، در یک نژاد تکامل یافته مسلح که میلیونها سال باقی خواهند ماند.
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.
این الگو بارها و بارها مجددا پدیدار میشود. موش صحرایی از طریق تغییرات ژنتیکی در سیستم عصبیاش در برابر سموم دردناکی که از طرف طعمهاش عقرب وارد میشود مقاومت میکند. سوسمار شاخدار به راحتی با مقاومت از طریق پلاسماهای خونی مخصوص در برابر نیشهای زهرآلود مورچههای برداشت کننده از آنها تغذیه میکنند. حلزونهای بیصدف دریایی که یاختههای گزنده عروس دریایی را میخورند، با ترکیبات درون مخاط خود از فعال شدن آنها جلوگیری کرده، و مجددا از آنها برای دفاع از خودشان استفاده میکنند.
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.
سوسک بمب افکن استثناء نیست: وزغهایی که آنها را میخورند میتوانند اسپری سوزاننده آنها را که برای داروین خیلی ناخوشایند بود تحمل کنند. بیشتر این سوسکها ساعتی بعد به بیرون انداخته میشوند، به طور شگفت انگیزی زنده و سالم. اما چگونه وزغها از این رخداد جان سالم به در میبرند؟ هنوز هم یک معماست.