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.
ในวันหนึ่ง สมัยที่ชาลส์ ดาร์วิน ยังเป็นนักศึกษาที่เคมบริดจ์ ว่าที่นักธรรมชาติวิทยาผู้เก่งกาจคนนี้ ฉีกเปลือกไม้ออกจากลำต้น และพบด้วงหายากสองตัวด้านใน เมื่อเขาหยิบตัวแรกขึ้นมา ก็มองเห็นด้วงตัวที่สาม เขาจึงเก็บด้วงตัวหนึ่ง ไว้ในปากของตัวเองก่อน แล้วเอื้อมไปหยิบด้วงตัวใหม่ ทันใดนั้น ลิ้นของเขาก็ถูกลวก ด้วยของเหลวที่ทั้งร้อนและขม
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.
สิ่งที่จู่โจมดาร์วินก็คือแมลงตด หนึ่งในสัตว์หลายพันสปีชีส์ เช่น กบ แมงกะพรุน ซาลาแมนเดอร์ และงู ที่ใช้สารพิษในการป้องกันตนเอง ในกรณีนี้คือการพ่นของเหลว ที่เป็นพิษออกจากต่อมในช่องท้อง แต่ทำไมสารกัดกร่อนที่ถูกพ่นออกมา ในอุณหภูมิถึง 100 องศาเซลเซียส จึงไม่ทำร้ายด้วงเสียเอง หากว่ากันตามตรงแล้ว สัตว์มีพิษทั้งหลาย รอดจากสิ่งที่พวกมันปล่อยออกมาได้ยังไงกัน คำตอบคือ พวกมันใช้ 1 ใน 2 กลยุทธ์พื้นฐานต่อไปนี้ นั่นคือเก็บตัวสารประกอบให้ดี หรือไม่ก็วิวัฒนาการเพื่อให้ต้านทานได้ แมลงตดนั้นใช้วิธีแรก
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.
นั่นคือการเก็บส่วนผสม ของพิษไว้แยกกันใน 2 ส่วน เมื่อมันถูกคุกคาม ประตูที่กั้น ระหว่างทั้ง 2 ส่วนจะเปิดออก และสารก็จะผสมกัน จนเกิดปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรง กลายเป็นสารกัดกร่อน ที่ถูกพ่นออกจากต่อมในตัวมัน ผ่านช่องแข็งที่ปกป้อง เนื้อเยื่อภายในของตัวด้วง แมงกะพรุนก็ใช้วิธีคล้ายๆ กัน คือการเก็บพิษให้เรียบร้อย ในรูปแบบคล้ายฉมวกที่เรียกว่าเนมาโทซิสต์ ส่วนงูพิษก็เก็บสารที่กัดกินเนื้อเยื่อ และทำให้เลือดแข็งตัว ไว้ในอวัยวะพิเศษที่มีทางออกเพียงทางเดียว นั่นคือปลายเขี้ยว ซึ่งจะส่งพิษ เข้าสู่ร่างของเหยื่อหรือนักล่า งูเหล่านี้ยังใช้กลยุทธ์ที่ 2 ด้วย นั่นคือ การสร้างความทนทานต่อชีวเคมีด้วยตัวเอง
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.
งูหางกระดิ่งและงูพิษ ชนิดอื่นๆ จะผลิตโปรตีนพิเศษ ที่เกาะตัวเข้ากับส่วนประกอบของพิษในเลือด และทำให้พิษไม่เป็นผล ในขณะเดียวกัน กบลูกศรพิษก็วิวัฒนาการ จนสามารถต้านทานพิษของมันเองได้ แต่ด้วยวิธีที่ต่างออกไป สัตว์ตัวจิ๋วเหล่านี้ปกป้องตัวเอง โดยใช้สารประกอบรสขมกว่าร้อยชนิด เรียกว่าอัลคาลอยด์ ซึ่งสั่งสมมาจากการกิน สัตว์ขาปล้องตัวเล็กๆ อย่างเห็บและมด หนึ่งในอัลคาลอยด์ที่รุนแรงที่สุด ที่มันผลิตได้ก็คือสารเอพิเบทิดีน ซึ่งเกาะกับหน่วยรับความรู้สึก ภายในสมองแบบเดียวกับนิโคติน แต่รุนแรงกว่าอย่างน้อย 10 เท่า หากได้รับสารนี้ในปริมาณมากกว่า น้ำตาล 1 เม็ดคุณก็ตายได้แล้ว งั้นอะไรกันที่ทำให้เจ้ากบพิษ ต้านทานพิษที่มันสร้างขึ้นได้
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.
ลองมองว่าแม่กุญแจคือโมเลกุลเป้าหมาย ของอัลคาลอยด์ที่เป็นพิษต่อระบบประสาท ส่วนกุญแจคืออัลคาลอยด์ เมื่อเสียบกุญแจพิษอันนี้เข้าไปในแม่กุญแจ สัญญาณทางเคมีและไฟฟ้า มหาศาลจะถูกกระตุ้น ซึ่งอาจทำให้เป็นอัมพาต หมดสติ และเสียชีวิตในที่สุด แต่หากเปลี่ยนรูปร่างของแม่กุญแจ ก็จะเสียบกุญแจไม่ได้ สำหรับกบลูกศรพิษและสัตว์อื่นๆ มากมาย ที่ป้องกันตัวเองด้วยพิษต่อระบบประสาท เพียงปรับสารพันธุกรรมเล็กน้อยก็เปลี่ยน โครงสร้างของส่วนที่อัลคาลอยด์ยึดเกาะได้ มากพอที่จะทำให้พิษต่อระบบประสาท ไม่แสดงผลข้างเคียง สัตว์มีพิษและสัตว์ที่ใช้พิษ
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.
ไม่ได้เป็นพวกเดียวที่ต้านทานพิษได้ สัตว์นักล่าและเหยื่อ ของพวกมันก็ทำได้เช่นกัน งูการ์เตอร์ซึ่งกินซาลาแมนเดอร์ ที่มีพิษต่อระบบประสาท ก็วิวัฒนาการจนต้านทานพิษของซาลาแมนเดอร์ได้ ด้วยการปรับสารพันธุกรรมบางส่วน เช่นเดียวกับซาลาแมนเดอร์ ซึ่งก็แปลว่าจะมีแต่ซาลาแมนเดอร์ ที่พิษรุนแรงที่สุดเท่านั้นที่รอดตาย และมีแต่งูที่ต้านพิษได้มากที่สุด ที่รอดตายจากการกินมัน ผลที่ได้ก็คือยีนซึ่งต้านทานพิษได้ดีที่สุด และยีนที่สร้างพิษได้รุนแรงที่สุด จะถูกส่งต่อไปยังรุ่นลูกหลาน ในปริมาณมากที่สุด ยิ่งพิษรุนแรงขึ้น ความต้านทานก็ยิ่งสูง กลายเป็นการประชันด้านวิวัฒนาการ ที่ยาวนานหลายล้านปี รูปแบบเช่นนี้เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า
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.
หนูกินแมลงต้านทานพิษอันเจ็บปวด ของแมลงป่องซึ่งเป็นเหยื่อ ด้วยการปรับสารพันธุกรรม ภายในระบบประสาทของมัน กิ้งก่าหนามกินมดเมล็ดพืชได้เต็มที่ และต้านทานการกัดที่มีพิษของมด ด้วยพลาสมาชนิดพิเศษในเลือด ส่วนทากทะเลก็กินเนมาโทซิสต์ของแมงกะพรุน แล้วใช้เมือกบนตัวมันเอง ป้อนกันไม่ให้เข็มพิษเหล่านี้ทำงานได้ จากนั้นก็นำมาใช้ป้องกันตัวมันเอง แมลงตดก็ไม่ได้รับยกเว้นเช่นกัน
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.
กบที่กินมันเป็นอาหาร ทนต่อสารกัดกร่อน ที่รสชาติแย่สำหรับดาร์วินได้ ด้วงส่วนใหญ่จะถูกคายออกมา หลังถูกกินไปหลายชั่วโมง โดยที่ไม่เป็นอะไรเลย แต่คำถามที่ว่ากบพวกนั้น รอดจากการกินด้วงได้ยังไง นั่นยังคงเป็นปริศนา