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.
Günlerden bir gün, Charles Darwin hala Cambridge'de öğrenci iken tomurcuklanma doğa bilimcisi eski bir ağaç kabuğunu söküp altında nadir rastlanan iki tane böcek buldu. İki eline de birer böcek aldığında üçüncü böceği fark etti. Güvenli olması için böceklerden birini ağzına saklayıp yeni örnek için uzanmıştı ki sıcak, acı bir sıvı aniden ağzını yaktı.
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.
Darwin’in saldırganı bombardıman böceğiydi. Bu, böcek kurbağalar, deniz anaları, semender ve yılanlar gibi kendilerini savunmak için zehirli kimyasallar kullanan binlerce canlı türünden biriydi- bu durumda karnındaki bezlerden zehir püskürten bir canlıydı. Ama neden bu yüz santigrat derecede çıkan yakıcı madde böceğin kendisini yakmıyor? Aslında, herhangi bir zehirli hayvan kendi salgısından nasıl etkilenmiyor? Cevap iki ana stratejiden birini kullanmaları: bu bileşikleri güvenli bir şekilde saklamak ya da onlara karşı direnç geliştirmek.
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.
Borbadıman böcekleri ilkini seçiyor. Zehirleri için malzemeleri iki ayrı haznede saklarlar. Tehdit edildiklerinde, iki hazne arasında bulunan valf açılır ve maddeler, böceklerin iç dokularını koruyan sert bir odadan geçerek, bezlerden dışarı atılan korozif bir sprey gönderen şiddetli bir kimyasal reaksiyonda birleşirler. Benzer olarak, denizanası, zehirlerini nematosist denilen zıpkın benzeri yapılarda güvenle saklar. Ve zehirli yılanlar et yiyen, kan pıhtılaşan bileşikleri sadece bir çıkışa sahip olan özel bölmelerde saklarlar: dişlerden çıkar ve avlarılana veya yırtıcılarına gider.
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.
Yılanlar ayrıca ikinciyi de kullanır: yerleşik biyokimyasal direnç. Çıngıraklı yılanlar ve diğer engerekler, kandaki zehirli bileşenleri bağlayan ve etkisiz hale getiren özel proteinler üretir. Bu arada, zehirli ok kurbağaları da kendi toksinlerine direnç geliştirmişlerdir, ancak farklı bir mekanizma yoluyla. Bu küçük hayvanlar, akarlar ve karıncalar gibi küçük eklem bacaklıları tüketmekten biriktirdikleri yüzlerce acı tadında bileşikleri kullanarak kendilerini koruyorlar. En güçlü alkaloidlerinden biri, beyinde aynı reseptörlere nikotin olarak bağlanan fakat en az on kat daha güçlü olan kimyasal epibatidindir. Bir şeker tanesinden daha ağır bir miktar sizi öldürür.
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.
Öyleyse kurbağaların kendilerini zehirlemelerini engelleyen nedir? Nörotoksik bir alkaloidin moleküler hedefini bir kilit olarak düşünün ve alkaloidin kendisini anahtar olarak. Zehirli anahtar kilitten geçtiğinde, felce, bilinç kaybına ve sonunda ölüme sebep olan kimyasal ve elektriksel sinyalleri tetikler. Eğer kilidin şeklini değiştirirseniz, anahtar uymaz. Zehirli ok kurbağası ve nörotoksik savunmaya sahip diğer birçok hayvan için birkaç genetik değişiklik, nörotoksinin olumsuz etkilerini göstermesini sağlayacak kadar alkaloid bağlama bölgesinin yapısını değiştirir.
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.
Zehirli ve venomöz hayvanlar bu direnci geliştirebilecek tek canlılar değil: avları ve yırtıcıları da olabilir. Nörotoksik semenderler üzerinde dönen garter yılanı, semenderlerin kendileri gibi aynı genetik değişikliklerden bazılarına dayanarak semender toksinlerine karşı direnç geliştirdi. Bu sadece en zehirli semenderlerin yenilmekten sakınabileceği anlamına gelir, sadece en dayanıklı yılanlar yenmekten kurtulur. Sonuç olarak en dayanıklı ve zehirliliği sağlayan genler en iyi özellikler olarak diğer jenerasyona aktarılacak. Toksisite yükseldikçe, direniş de milyonlarca yıldan fazla süren evrimsel bir silahlanma yarışında gerçekleşir.
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.
Bu düzen tekrar ve tekrar gerçekleşir. Çekirge fareleri sinir sistemlerinde genetik değişiklikler yoluyla akrep avından acı zehirlere karşı koyarlar. Boynuzlu kertenkeleler, özelleşmiş kan plazması ile zehirli iğnelerine direnerek, hasatçı karıncaları tüketmişlerdir. Deniz sümüklü böcekleri denizanası nematosistleri yiyip mukuslarındaki bileşiklerle aktivasyonlarını önler ve kendi savunmaları için onları yeniden üretirler.
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.
Bombardıman böcekleri istisna değildir: onları yutan kurbağalar, Darwin'in bu kadar iğrenç bulduğu kostik spreye tahammül edebilir. Böceklerin bir çoğu saatler sonra kusarlar, şaşırtıcı şekilde canlı ve sağlıklıdırlar. Ama kurbağalar bu deneyimden nasıl kurtulurlar? Bu hala bir sırdır.