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.
יום אחד, כשצ'ארלס דארווין עדיין היה סטודנט בקיימבריג', חוקר הטבע הצעיר קרע מעט קליפה מעץ ומצא שתי חיפושיות נדירות מתחתיה. הוא בדיוק לקח חיפושית אחת בכל יד כשזיהה חיפושית שלישית. הוא הניח אחת בפיו למשמר ופנה לקחת את השלישית - כשנתז פתאומי של נוזל חם ומר כיסה את לשונו.
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.
התוקף של דארווין היתה החיפושית המפציצה [Bombardier Beetle]. היא אחת מאלפי מינים, כמו צפרדעים, מדוזות, סלמנדרות, ונחשים, שמשתמשים בכימיקלים רעילים כדי להגן על עצמם - במקרה הזה, על ידי התזת נוזל רעיל מבלוטות בבטן. אבל למה החומר המעכל הזה, שמותז ב 100 מעלות צלזיוס, לא פוגע בחיפושית עצמה? למעשה, איך חיות רעילות שורדות את ההפרשות של עצמן? התשובה היא שהן משתמשות באחת משתי אסטרטגיות בסיסיות: אחסון החומרים באופן בטוח או פיתוח תנגודת להם.
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.
החיפושיות המפציצות משתמשות בגישה הראשונה. הן מאחסנות רכיבים לרעל הזה בשני מיכלים נפרדים. כשהן מאויימות, השסתום בין שני המיכלים נפתח והחומרים משתלבים בתגובה כימית אלימה ששולחת נתז מעכל מהבלוטות, הנוזל עובר דרך תא מוקשח שמגן על הרקמה הפנימית של החיפושית. בדומה, המדוזות שומרות על הארס שלהן באופן בטוח במבנים דמויי צלצלים שנקראים נמטוציטים. ונחשים ארסיים אוגרים את הרכיבים מעכלי הבשר ומקרישי הדם שלהם במדורים מיוחדים שיש להם רק יציאה אחת: דרך הניבים ולתוך הטרף או הטורף.
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.
נחשים משתמשים גם באסטרגיה השניה: תנגודת ביוכימית מובנית. עכסנים ומינים אחרים של צפעים מייצרים חלבונים מיוחדים שקושרים ומנטרלים רכיבי ארס בדם שלהם. בינתיים, צפרדעי חיצי ארס פיתחו גם הן תנגודת לרעלנים שלהן, אבל בעזרת מנגנון שונה. החיות הזעירות האלו מגינות על עצמן בשימוש במאות רכיבים מרים שנקראים אלקלואידים שהן צוברות מצריכת פרוקי רגליים קטנים כמו כנימות ונמלים. אחד האלקלואידים הכי חזקים שלהן הוא אפיבטידין, שנקשר לאותם קולטנים במוח כמו ניקוטין אבל חזק לפחות פי עשר. כמות בקושי בגודל של גרגר סוכר תהרוג אתכם.
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.
אז מה מונע מצפרדעים רעילות מלהרעיל את עצמן? חשבו על המטרות המולקולריות של הניורו טוקסינים האלקלואידים כמנעולים, ועל האלקלואיד עצמו כמפתח. כשהמפתח הרעיל נכנס לתוך המנעול, הוא מפעיל מפל של אותות כימיים וחשמליים שיכולים לגרום לשיתוק, חוסר הכרה, ולבסוף מוות. אבל אם אתם משנים את צורת המנעול, המפתח לא יתאים. לצפרדעי חיצים רעילות והרבה חיות אחרות עם הגנות ניורו רעילות, כמה שינויים גנטיים משנים את המבנה של האתר קושר האלקלואיד מספיק כדי לוודא שהניורו רעלן לא ישפיע.
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.
חיות רעילות וארסיות הן לא היחידות שיכולות לפתח את התנגודת הזו: הטורפים שלהן והטרף גם יכולים. נחש הבירית, שניזון מסלמנדרות ארסיות, פיתח תנגודת לרעלנים של סלמנדרות בעזרת אותם שינויים גנטיים כמו הסלמנדרות עצמן. זה ואמר שרק הסלמנדרות הכי רעילות יכולות להמנע מלהיאכל -- ורק הנחשים הכי עמידים ישרדו את הארוחה. התוצאה היא שהגנים שמספקים את התנגודת והרעילות הגבוהה ביותר יועברו בכמויות הגדולות ביותר לדורות הבאים. כשהרעילות עולה, כך גם התנגודת, במרוץ חימוש אבולוציוני שמתקיים כבר במשך מליוני שנים.
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.
התבנית הזו מופיעה שוב ושוב. עכברי חגב מתנגדים לארס עקרבים כואב דרך שינויים גנטיים במערכת העצבים שלהם. לטאות מקורננות צורכות בשמחה נמלים קוצרות, ומתנגדות לעקיצות הארסיות שלהן עם פלזמת דם מותאמת. וחלזונות ים אוכלים נמטוציטים של מדוזות, מונעים את הפעלתם עם תרכובות בריר שלהם, ומשתמשים בהם להגנתם שלהם.
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.
החיפושיות המפציצות לא חריגות: הקרפדות שבולעות אותן יכולות לסבול את הרסס המעכל שדארווין מצא מגעיל. את רוב החיפושיות האלו יורקים שעות לאחר מכן, חיות ובריאות למרבה הפלא. אבל איך הקרפדות האלו שורדות את החוויה? זו עדיין תעלומה.