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.
어느 한 날씨 좋은 날, 찰스 다원이 아직 캠브리지 대학교 학생이던 시절 이 새내기 동식물학자는 오래된 나무껍질을 뜯어서 그 아래에서 희귀한 딱정벌레 두 마리를 찾았습니다. 그가 양 손에 딱정벌레 들고 있을 때 마침 한 마리가 더 보았습니다. 벌레 하나를 입 속에 넣고 새로운 종을 향해 손을 뻗은 바로 그 순간 뜨겁고 쓴 액체가 그의 입 안을 채웠습니다.
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.
다윈을 공격한 것은 바로 폭탄먼지벌레였습니다. 폭탄먼지벌레는 개구리, 해파리, 도롱뇽, 뱀 같은 다른 많은 동물들처럼 독을 사용하여 자신을 지킵니다. 이 벌레는 복부에 있는 선에서 독액을 뿜는 방식을 사용하지요. 하지만 왜 이 100도의 부식성 액체에 벌레 자신은 다치지 않는 것일까요? 더 나아가서 독을 가진 동물들은 어떻게 자신을 독으로부터 보호할까요? 정답은 그들이 두 가지 기본 원칙 중 하나라도 지키기 때문입니다. 독을 안전하게 저장하거나 독에 대한 저항력을 키우는 방향으로 말이지요. 폭탄먼지벌레는 첫 번째 방법을 사용합니다.
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.
이들은 독의 재료를 분리된 곳에 담아 보관하는데, 이 벌레들이 위협을 받으면 두 곳을 연결하는 밸브가 열려 이 물질들이 격렬한 화학 반응을 일으키며 부식성 액체를 분비샘에서 뿜어 나오게 합니다. 이 액은 딱딱한 관을 통해 나오기 때문에 벌레의 내부 조직은 상처받지 않습니다. 해파리도 비슷한 접근을 합니다. 이들은 작살처럼 생긴 '가시세포'라는 곳에 독을 보관합니다. 독사도 살을 녹이고 혈액의 응고를 유발하는 화학물질을 구멍이 하나인 특별한 장소에 넣어 이빨을 통해 먹잇감 혹은 포식자에게 주입합니다. 뱀들은 두 번째 전략인 독에 저항성을 키우는 방법도 이용합니다.
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.
방울뱀을 비롯한 다른 독사들은 특별한 단백질을 만들어 내어 피 속의 독을 비활성화 시킵니다. 독개구리들도 자신의 독에 대한 저항력이 있지만 좀 다른 방식을 사용합니다. 이 작은 친구들은 수백 개의 쓴맛을 내는 성분을 이용하여 자신을 보호합니다. 이 물질은 알칼로이드라고 불립니다. 개미나 진드기 같은 작은 절지동물들을 섭취해서 이 물질을 축적하지요. 이 알칼로이드 중 가장 강력한 것은 에피바티딘이라 불리는 물질입니다. 이 물질은 뇌에서 니코틴과 같은 수용체에 결합하지만 10배 이상 강력합니다. 티끌만 한 양으로도 당신을 죽일 수 있지요. 그러면 이 개구리들이 자기 자신을 독으로부터 보호하는 방법은 무엇일까요?
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.
알칼로이드계 신경독이 작용하는 수용체를 자물쇠, 독을 열쇠라고 생각해 봅시다. 독성을 가진 열쇠가 자물쇠로 들어가면 폭포처럼 일어나는 전기신호와 화학반응을 일으켜 중풍, 의식 불명, 결국에는 죽음까지 일으킬 수 있습니다. 하지만 자물쇠의 모양이 바뀌면 열쇠가 들어가지 못합니다. 독개구리와 같은 신경독이 있는 동물에겐 유전적인 변화가 일어나 수용체의 모양을 바꾸어 신경독에 의한 심각한 피해를 입지 않게 됩니다. 독이 있는 동물들만
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.
이런 저항력을 키울 수 있는 것은 아닙니다. 그들의 먹잇감이나 포식자도 그렇게 할 수 있지요. 가터뱀은 신경독이 있는 도롱뇽을 먹이로 삼는데 이들은 도롱뇽의 독성에 저항하기 위해서 도롱뇽이 겪은 유전적 변화의 일부를 그대로 따라해 왔습니다. 즉, 가장 독이 강한 도롱뇽만 먹히지 않을 수 있고 가장 저항력이 강한 뱀들만 먹이를 먹을 수 있다는 것입니다. 이로 인한 결과는 가장 강한 독과 가장 강한 저항성을 가진 유전자가 다음 세대로 가장 많이 전달될 것이라는 것을 의미합니다. 독성이 강해질수록 저항성도 강해지는 것이지요. 수백 만년 동안 계속되어온 진화의 경쟁에서 이 패턴은 계속 나타나게 됩니다.
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.
메뚜기쥐는 자신의 먹잇감인 전갈의 독을 신경계의 유전적 변이를 통해 저항합니다. 뿔도마뱀들은 수확 개미들을 쉽사리 먹는데, 특별한 혈장을 통해 개미의 독침에 저항하고 바다달팽이는 해파리의 가시 세포를 먹은 후 점액 내 물질로 독의 활성화를 방지하고 그것을 오히려 자신의 방어에 이용합니다. 폭탄먼지벌레도 예외는 아니지요.
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.
이 벌레를 먹는 두꺼비들은 다윈에게 불쾌감을 준 자극적 물질을 견딜 수 있을 것입니다. 대부분의 딱정벌레는 수 시간 후 토해내지는데, 신기하게도 잘 살아 있습니다. 하지만 두꺼비는 이것을 어떻게 견딜까요? 그건 아직 아무도 모릅니다.