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 bel giorno, quando Charles Darwin era ancora uno studente a Cambridge, il naturalista in erba tolse un po' di vecchia corteccia da un albero e sotto trovò due rari coleotteri. Aveva appena preso un insetto per mano quando ne vide un terzo. Infilandosi uno degli insetti in bocca per tenerlo al sicuro, si avvicinò al nuovo esemplare, quando un improvviso spruzzo di fluido caldo e amaro gli scottò la lingua.
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'aggressore di Darwin era il coleottero bombardiere. È una delle migliaia di specie animali, come le rane, le meduse, le salamandre e i serpenti, che usano sostanze velenose per difendersi, in questo caso, espellendo un liquido velenoso dalle ghiandole nell'addome. Ma perché questa sostanza irritante, espulsa a 100 gradi Celsius, non danneggia lo stesso coleottero? Come possono gli animali velenosi sopravvivere alle loro stesse secrezioni? La risposta è che usano una di queste due strategie di base: immagazzinare in modo sicuro queste sostanze o diventarne resistenti.
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.
I coleotteri bombardieri usano il primo approccio. Immagazzinano gli ingredienti per il loro veleno in due camere separate. Quando sono minacciati, la valvola tra le due camere si apre e le sostanze si combinano in una violenta reazione chimica che spruzza un getto corrosivo dalle ghiandole, passando in un canale più resistente che protegge i tessuti interni del coleottero. In modo simile, le meduse tengono al sicuro il loro veleno in strutture simili ad arpioni chiamate nematocisti. I serpenti velenosi conservano le loro sostanze necrotizzanti e coagulanti in comparti specializzati che hanno una sola via d'uscita: attraverso i denti e dentro la preda o il predatore.
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.
I serpenti usano anche l'altra strategia: un'innata resistenza biochimica. I serpenti a sonagli e altri tipi di vipere producono speciali proteine che si legano e disattivano le componenti del veleno nel sangue. Anche le rane dal dardo velenoso sono resistenti alle loro tossine, ma attraverso un altro meccanismo. Questi animaletti si difendono usando centinaia di sostanze amare chiamate alcaloidi, che accumulano cibandosi di piccoli artropodi come acari e formiche. Uno dei loro alcaloidi più potenti è l'epibatidina, che si lega nel cervello agli stessi recettori della nicotina, ma che è almeno dieci volte più forte. Una quantità appena più grande di un granello di zucchero vi ucciderebbe.
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.
Quindi, cosa impedisce alle rane velenose di avvelenarsi? Pensate al bersaglio molecolare di un alcaloide neurotossico come a una serratura, e all'alcaloide come alla chiave. Quando la chiave tossica entra nella serratura, dà inizio a una cascata di segnali chimici ed elettrici che possono causare paralisi, incoscienza e infine la morte. Ma se cambi la forma della serratura, la chiave non può entrare. Nelle rane dal dardo velenoso e in molti altri animali con difese neurotossiche, alcuni cambiamenti genetici alterano la struttura del sito di legame degli alcaloidi
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.
quanto basta affinché le neurotossine non producano i loro effetti nocivi. Ma gli animali velenosi non sono gli unici a poter sviluppare questa resistenza: possono farlo anche i loro predatori e le loro prede. Il serpente giarrettiera, che si ciba di salamandre neurotossiche, ha sviluppato una resistenza alle tossine delle salamandre grazie ad alcuni cambiamenti genetici come nelle stesse salamandre. Ciò significa che solo le salamandre più tossiche posso evitare di essere mangiate, e che solo i serpenti più resistenti sopravviveranno al pasto. Il risultato è che i geni che forniscono maggiore resistenza e tossicità saranno passati in quantità maggiori alle generazioni successive. All'aumento della tossicità, aumenta anche la resistenza, in una corsa agli armamenti evolutiva che dura da milioni di anni.
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.
Questo modello si ripete continuamente. I topi delle cavallette resistono al veleno doloroso degli scorpioni grazie a cambiamenti genetici nel sistema nervoso. Le lucertole cornute mangiano facilmente le formiche, resistendo alla loro puntura velenosa con un plasma sanguigno specializzato. E le lumache di mare mangiano i nematocisti delle meduse, ne prevengono l'attivazione con delle sostanze nel loro muco e li riusano per difendersi.
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.
Il coleottero bombardiere non fa eccezione: i rospi che li ingoiano possono tollerare lo spruzzo caustico che Darwin trovò tanto ripugnante. Molti dei coleotteri vengono sputati dopo qualche ora, sorprendentemente vivi e vegeti. Ma i rospi come sopravvivono a quest'esperienza? Questo è ancora un mistero.