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.
Un beau jour, alors que Charles Darwin était encore élève à Cambridge, ce naturaliste en herbe décrocha d'un arbre, un vieux bout d'écorce, et trouva deux espèces de coléoptères très rares. Il venait de prendre un coléoptère dans chaque main, quand il en vit un troisième. Après avoir mis en lieu sûr dans sa bouche, un des deux insectes, il s’apprêtait à saisir le nouveau spécimen, quand un jet soudain, chaud et amer, lui ébouillanta la langue.
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.
L'assaillant de Darwin était un coléoptère bombardier. C'est une parmi les milliers d'espèces animales comme les grenouilles, les méduses, les salamandres, et les serpents, qui utilisent des substances toxiques pour se défendre - dans ce cas, en projetant un liquide venimeux des glandes de son abdomen. Mais pourquoi cette substance caustique, éjectée à 100° Celsius, ne blesse-t-elle pas le coléoptère lui-même ? En fait, comment les animaux venimeux survivent-ils à leurs propres sécrétions ? La réponse est qu'ils utilisent l'une de ces deux solutions élémentaires : stocker en sécurité ces composés, ou leur développer une résistance.
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.
Les coléoptères bombardiers utilisent la première approche. Ils stockent les ingrédients venimeux dans deux compartiments distincts. Face à une menace, la valve séparant les deux compartiments s'ouvre, et les substances se mélangent, provoquant une violente réaction chimique qui envoie un jet corrosif hors des glandes, en passant par un compartiment dur qui protège les tissus internes. De la même manière, les méduses gardent leur venin en sécurité dans des structures ressemblant à des harpons, appelées « nématocystes ». Et les serpents venimeux stockent leur venin corrosif et coagulant, dans des compartiments spécialisés qui n'ont qu'une seule sortie : les crocs dans la chair de leur proie ou prédateur.
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.
Les serpents utilisent aussi la seconde stratégie : une résistance biochimique interne. Les crotales et autres types de vipères produisent des protéines spéciales qui s'attachent aux composants du venin dans le sang et les désactivent. Les grenouilles venimeuses ont aussi acquis une résistance à leurs toxines, mais par un mécanisme différent. Ces petits animaux se défendent en utilisant des centaines de composés amers, appelés « alcaloïdes », qu'ils accumulent en mangeant des petits arthropodes tels que les mites et les fourmis. L'un de leurs alcaloïdes les plus efficaces est l'épibatidine, qui se fixe, dans le cerveau, aux mêmes récepteurs que ceux de la nicotine, mais est dix fois plus puissante, au moins. Une quantité pas plus grande qu'un grain de sucre vous tuerait.
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.
Alors, qu'est-ce qui empêche les grenouilles de s'empoisonner ? Imaginez la cible moléculaire d'un alcaloïde neurotoxique comme une serrure, et l'alcaloïde lui-même comme la clé de la serrure. Quand la clé toxique entre dans la serrure, elle déclenche une cascade de signaux chimiques et électriques qui peuvent causer la paralysie, la perte de conscience, et finalement la mort. Mais si vous changez la forme de la serrure, la clé ne correspond plus. Pour les grenouilles venimeuses et beaucoup d'autres animaux utilisant des défenses neurotoxiques, de petites mutations génétiques changent la structure du site où se fixe l'alcaloïde, juste assez pour empêcher la neurotoxine d'exercer ses effets destructeurs.
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.
Les animaux toxiques et venimeux ne sont pas les seuls à pouvoir développer cette résistance, leurs prédateurs et leurs proies le peuvent aussi. La couleuvre, qui se régale de salamandres neurotoxiques, a développé une résistance aux toxines des salamandres grâce à certaines mutations génétiques identiques à celles des salamandres. Cela signifie que seules les salamandres les plus toxiques peuvent éviter d'être mangées, et seuls les serpents les plus résistants peuvent survivre en les mangeant. Il s'ensuit que les gènes produisant les plus fortes résistance et toxicité seront transmis aux générations suivantes dans de plus grandes proportions. Plus la toxicité augmente, plus la résistance se renforce, dans une course aux armes génétiques qui a lieu depuis des millions d'années.
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.
Ce processus se répète partout. Les souris sauterelles résistent au douloureux venin des scorpions qu'elles mangent, grâce à des mutations génétiques dans leur système nerveux. Les lézards à cornes consomment volontiers des fourmis moissonneuses, et résistent à leur piqûre venimeuse grâce à un plasma sanguin spécialisé. Les limaces de mer mangent les nématocystes des méduses, empêchent leur activation grâce à des composés dans leur mucus
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.
et les réutilisent pour leur propre défense. Le coléoptère bombardier n'est pas une exception : les crapauds qui les ingèrent peuvent tolérer le jet caustique que Darwin a trouvé si déplaisant. La plupart des coléoptères sont recrachés, quelques heures plus tard, étonnamment vivants et bien portants. Mais comment les crapauds survivent-ils à cette expérience ? Ça, c'est encore un mystère.