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.
Một ngày đẹp trời, khi đang là sinh viên Đại Học Cambridge, nhà tự nhiên học trẻ tuổi Charles Darwin lột vài lớp vỏ già khỏi thân cây và phát hiện hai chú bọ cánh cứng hiếm thấy phía bên dưới. Anh cầm mỗi tay một con và phát hiện thêm con thứ ba. Giữ một con trong miệng, anh định bắt lấy con bọ mới - thì đột nhiên một thứ acid đắng gắt phun ra làm phỏng lưỡi anh.
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.
Kẻ tấn công Darwin là bọ cánh cứng thả bom. Một trong hàng ngàn loài động vật, như ếch, sứa, kỳ nhông, và rắn, sử dụng chất độc hoá học để bảo vệ bản thân - trong trường hợp này, bằng cách phun chất lỏng độc từ các tuyến trong bụng. Nhưng tại sao thứ chất lỏng độc hại được phun ra ở nhiệt độ 100 độ C này, lại không gây tổn hại gì đến chính con bọ? Làm thế nào động vật có độc sống sót với chất độc do chính chúng tiết ra? Câu trả lời chính là nhờ hai chiến lược cơ bản sau: trữ độc một cách an toàn hoặc tiến hoá khả năng sinh hoá kháng độc.
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.
Con bọ cánh cứng thả bom đã áp dụng cách thứ nhất. Chúng trữ các thành phần chất độc ở hai ngăn riêng biệt. Khi cảm thấy bị đe doạ, van giữa hai ngăn mở ra, các thành phần kết hợp với nhau tạo phản ứng hoá học cực mạnh, bắn chất lỏng độc hại này khỏi các tuyến, đi qua vách ngăn vững chãi bảo vệ những mô bên trong. Tương tự, sứa biển trữ độc một cách an toàn trong cấu trúc hình mũi tên có tên là nematocyst. Và rắn độc trữ hợp chất làm máu vón cục trong những ngăn đặc biệt chỉ có duy nhất một lối ra: xuyên qua những răng nanh và đến con mồi hoặc kẻ thù.
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.
Rắn sử dụng chiến lược thứ hai: tiến hoá tạo khả năng sinh hoá kháng độc. Rắn đuôi chuông và các loài rắn độc khác tự sản xuất protein đặc biệt kết nối và làm vô hiệu hoá chất độc trong máu. Trong khi đó, ếch phi tiêu cũng tiến hoá khả năng kháng độc, nhưng với một cơ chế khác. Loài động vật nhỏ này tự bảo vệ bằng cách sử dụng hàng trăm hợp chất có vị đắng gọi là alkaloid tổng hợp từ việc tiêu hoá côn trùng chân đốt nhỏ như ve, kiến. Một trong những alkaloid cực độc là epibatidine, chất ức chế cơ quan thụ cảm trong não như nicotine nhưng mạnh hơn ít nhất mười lần. Một lượng nhỏ bằng hạt đường cũng đủ gây chết người.
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.
Vậy điều gì giúp ếch không đầu độc chính chúng? Hình dung những mục tiêu phân tử của độc tố alkaloid là ổ khoá, và alkaloid chính là chìa khoá. Khi chìa khoá độc được tra vào ổ, nó khởi tạo các chuỗi các tín hiệu điện và hoá học có thể gây ra tình trạng tê liệt, mất ý thức, và cuối cùng là cái chết. Nhưng nếu thay đổi hình dáng ổ khoá, chìa khoá không thể tra khớp. Với ếch độc phi tiêu và các loài tự vệ bằng chất độc thần kinh, vài thay đổi di truyền học làm biến đổi cấu trúc tiếp nhận alkaloid vừa đủ để giữ độc tố thần kinh khỏi bị tác dụng ngược.
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.
Những động vật có độc không phải là loài duy nhất tiến hoá khả năng kháng độc: con mồi và kẻ thù của chúng cũng thế. Một con rắn lục nuốt một con kỳ nhông độc làm bữa tối vốn đã có sự tiến hoá kháng độc của kỳ nhông, với các thay đổi trong gen giống như ở kỳ nhông. Điều này có nghĩa là chỉ con kỳ nhông độc nhất mới có thể thoát cảnh bị ăn thịt - và chỉ con rắn kháng độc mạnh nhất mới có thể tránh không bị đầu độc. Kết quả là bộ gen cung cấp khả năng kháng độc mạnh nhất sẽ được di truyền cho thế hệ tiếp theo. Khi độc tính tăng, thể kháng độc cũng tăng theo,
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.
trong cuộc đua tiến hoá diễn ra hàng triệu năm qua. Và điều này cứ lặp đi lặp lại. Chuột grasshopper có thể kháng chất độc đầy đau đớn từ con mồi bò cạp nhờ biến đổi gen trong hệ thống thần kinh. Thằn lằn sừng dễ dàng tiêu hoá kiến harvester, kháng vết đốt độc của kiến nhờ huyết tương đặc biệt trong máu. Và sên biển ăn nematocyst từ sứa, kháng được sự hoạt hoá nhờ hợp chất có trong niêm dịch,
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.
và cải tạo chúng để tự vệ. Bọ cánh cứng thả bom cũng không ngoại lệ: con cóc nuốt chửng nó có thể chịu đựng được chất độc làm Darwin khiếp đảm. Hầu hết những con bọ cánh cứng bị nôn ra sau vài giờ, có thể sống khoẻ trở lại một cách kì diệu. Nhưng làm thế nào cóc cũng có thể sống sót