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.
Одним солнечным днём, когда Чарльз Дарвин ещё был студентом Кембриджа, подающий надежды натуралист исследовал кору на одном дереве; в одном месте под ней он обнаружил двух редких жуков. Вложив в каждую ладонь по жуку, он вдруг заметил третье членистоногое. Припрятав одно насекомое во рту, чтобы не потерять, он только было потянулся за новым образцом, как внезапно язык обожгло острой горькой жидкостью.
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.
Оказавшим «вооружённое» сопротивление был жук-бомбардир, один из тысяч видов животных, таких как лягушки, медузы, саламандры и змеи, которые применяют ядовитые вещества в целях самообороны, в данном случае выделяя ядовитую жидкость из специальных желёз на конце брюшка. Но почему столь едкое вещество, ещё и выбрасываемое при температуре 100 градусов Цельсия, не вредит жуку? Как ядовитым животным удаётся не умереть от выделяемых ядов? Ответ на этот вопрос предполагает использование ими двух простых стратегий: надёжно хранить данные вещества или постепенно выработать к ним иммунитет.
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.
Жуки-бомбардиры используют первую стратегию. Ингредиенты для производства яда они хранят в двух отдельных камерах. Когда возникает угроза, клапан между камерами открывается и вещества перемешиваются в ходе стремительной химической реакции, а затем струя едкой жидкости выстреливает из желёз, проходя через камеру с толстыми стенками, защищающими внутренние органы жука. По аналогии с жуками медузы надёжно прячут яд в похожих на гарпун образованиях, которые называются нематоциты. А ядовитые змеи хранят вещества, разрушающие белки и свёртывающие кровь, в специальных железах, имеющих по одному каналу выхода через ядовитые зубы прямо в плоть жертвы или другого хищника.
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.
Но змеи также применяют и вторую стратегию — биохимическую защиту. Гремучие змеи и другие виды гадюк вырабатывают специальные белки, которые действуют на неиспользуемые компоненты яда в крови. А вот ядовитые лягушки древолазы тоже выработали иммунитет к ядам, но в основе его другой механизм. Эти крошечные земноводные защищаются при помощи сотен горьких на вкус веществ под названием алкалоиды, которые накапливаются в организме в результате употребления в пищу таких членистоногих, как клещи и муравьи. Один из самых сильных алкалоидов — эпибатидин, химическое вещество, воздействующее на те же рецепторы в мозге, что и никотин, но примерно раз в десять превосходящий его по силе.
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.
Чтобы убить человека, достаточно буквально крупицы вещества с песчинку сахара. Так почему же ядовитые лягушки не умирают от отравления? Представьте, что замóк — это молекулярная мишень нейротоксичного алкалоида, а сам алкалоид — это ключ. Когда ядовитый ключ входит в замок, он запускает цепь химических и электрических сигналов, вызывающих паралич, обморок и даже смерть. Но если конфигурацию замка изменить, то ключ не подойдёт. Для ядовитых древолазов, а также многих других животных, имеющих нейротоксические механизмы защиты, достаточно небольших изменений в структуре участков, связующих алкалоиды,
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.
чтобы не допустить пагубного воздействия нейротоксинов на организм. Не только ядовитые животные, но и охотящиеся на них хищники и даже потенциальные жертвы способны вырабатывать иммунитет к ядам. Ужи, питающиеся ядовитыми саламандрами, выработали иммунитет против их токсинов, при этом в их геноме произошли те же изменения, что и у саламандр. Это означает, что выживут только самые ядовитые саламандры и ужи с самым сильным иммунитетом против их яда. Следовательно, по наследству преимущественно передадутся гены, обеспечивающие максимальную токсичность и наивысший уровень иммунитета. Потенциал токсичности и иммунитета будет расти
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.
в течение миллионов лет в эволюционной «гонке вооружений». И так происходит повсеместно. Кузнечиковые хомячки не боятся болезненных укусов скорпионов благодаря генетическим изменениям, произошедшим с их нервной системой. Жабовидные ящерицы спокойно поедают муравьёв-жнецов, защищаясь от отравленных жал при помощи специальной плазмы крови. А голожаберные поедают клетки-нематоциты медуз, нейтрализуя их веществами, содержащимися в слизи, а также приспосабливают их в дальнейшем для самозащиты.
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.
Жук-бомбардир не исключение: жабы, проглотив такого жука, получат порцию едкой жидкости, ужасный вкус которой испытал Дарвин. Через несколько часов большинство жуков выплёвывают, причём они ещё живы. Но как же жабам удаётся избежать отравления? А это до сих пор загадка.