Почему некоторые животные могут съесть яд и обмануть смерть

Существа, потребляющие виды, содержащие смертельные токсины, выработали целый набор хитроумных стратегий, чтобы выживать.

Выловленные в колумбийской Амазонии, десять змей несколько дней провели в неволе без пищи, затем им предложили крайне неаппетитную добычу — трехполосых лягушек-дротиков Ameerega trivittata. Их кожа содержит смертельно опасные токсины, такие как гистрионикотоксины, пумилиотоксины и декагидрохинолины, которые нарушают работу жизненно важных клеточных белков.

Шесть королевских земляных змей (Erythrolamprus reginae) предпочли голодать. Остальные четыре бесстрашно скользнули к добыче, но прежде чем проглотить ее, они протащили лягушек по земле. Это было похоже на то, как некоторые птицы вытирают токсины со своей добычи, отметила биологиня Валерия Рамирес Кастаньеда из Калифорнийского университета в Беркли, проводившая эксперимент. Три из четырех змей пережили трапезу, что говорит о том, что их организмы способны справиться с оставшимися токсинами.

Живые существа используют смертоносные молекулы, чтобы убивать друг друга, уже сотни миллионов лет. Сначала появились микробы, которые используют эти вещества для устранения конкурентов или атаки на клетки-хозяева, в которые они вторгаются. Затем появились животные, которые похожим образом убивают добычу или отпугивают хищников, и растения, защищающиеся от травоядных. В ответ на это многие животные выработали способы выживания с помощью этих токсинов, иногда они даже запасают их, чтобы использовать против врагов.

Ученые близки к разгадке этих изобретательных механизмов защиты от токсинов, они надеются найти более эффективные методы лечения отравлений у людей. Что еще более важно, исследователи узнают о силе, которая незаметно способствовала формированию биологических сообществ, говорит Ребекка Тарвин, биологиня-эволюционистка из Калифорнийского университета в Беркли, которая руководила экспериментом со змеями и писала о подобных стратегиях в «Ежегодном обзоре экологии, эволюции и систематики» в 2023 году.

«Всего несколько миллиграммов одного соединения могут изменить все взаимодействия в экосистеме», — подчеркивает Тарвин.

Виды становятся токсичными по-разному. Некоторые из них сами вырабатывают токсины: например, жабы-буфониды производят молекулы, называемые сердечными гликозидами, которые блокируют белок натрий-калиевым насос от перекачивания ионов в клетки и из них. Такое перекачивание критически важно для поддержания объема клеток, сокращения мышц и передачи нервных импульсов.

В организме других животных присутствуют бактерии, вырабатывающие токсины. К ним относится и рыба-собака, чье мясо, содержащее тетродотоксин, может оказаться смертельным для употребления в пищу. Многие другие получают свои токсины через пищу. Примером служат ядовитые лягушки, которые пожирают насекомых и клещей, содержащих токсины; к этим лягушкам относится и тот вид, которым питались наземные змеи в эксперименте.

По мере того, как некоторые животные эволюционировали и стали ядовитыми, они также перестроили свои организмы, чтобы избежать самоотравления. То же самое произошло и с существами, которых они едят или которые едят их. Наиболее изученная из этих адаптаций связана с изменениями в белках, которые обычно блокируются токсинами, в результате чего они становятся устойчивыми. Например, у насекомых, которые растут и питаются богатыми гликозидами растениями молочая, развились натрий-калиевые насосы, с которыми гликозиды не могут связываться.

Однако изменение жизненно важной молекулы может создать осложнения для организма, утверждает молекулярная биологиня Сюзанна Доблер из Гамбургского университета в Германии. В своих исследованиях на клопах Oncopeltus fasciatus, питающихся семенами молочая, она обнаружила, что чем более устойчивым к гликозидам становится насос, тем менее он эффективен. И это проблема нервных клеток, для которых насос особенно важен.

Похоже, что насекомое развило способ обойти эту проблему. В исследовании 2023 года Доблер и ее коллеги изучали устойчивость к токсинам трех вариантов насоса, созданного этим существом. Они обнаружили, что наиболее функциональная версия, расположенная в мозге, также является и наиболее чувствительной к токсинам. По словам Доблер, клоп, должно быть, выработал другие способы защиты мозга от гликозидов.

Ученая подозревает, что в этом замешаны белки, называемые транспортерами ABCB, они располагаются в клеточных мембранах и выводят отходы и другие нежелательные продукты из клеток. Она обнаружила, что некоторые бражники используют транспортеры ABCB, расположенные вокруг нервных тканей, для переноса сердечных гликозидов из клеток. Возможно, и клоп делает нечто подобное.

Доблер также проверяет гипотезу о том, что у многих насекомых в мембранах кишечника присутствуют переносчики ABCB, которые изначально препятствуют проникновению токсичных веществ в организм. Это может объяснить, почему ярко-красный луковый жук Lilioceris merdigera, питающийся богатым гликозидами ландышем, по-видимому, не реагирует на токсины и просто выделяет их. Полученные фекалии обладают преимуществом отпугивания хищных муравьев, сообщила Доблер в 2023 году.

Для королевских земляных змей печень, по-видимому, играет ключевую роль. Эксперименты с культурой клеток позволили команде Тарвин получить доказательства того, что экстракт печени змеи защищает от токсинов трехполосых лягушек-дротиков. Ученые предполагают, что у змей есть ферменты, которые преобразуют смертоносные вещества в нетоксичные формы, подобно тому, как человеческий организм преобразует алкоголь и никотин. Печень змеи также может содержать белки, которые прилипают к токсинам и делают их неспособными связываться с целями, поглощая их, словно губки. Ученые обнаружили такие белки, «связывающие токсины», в крови некоторых ядовитых лягушек, что позволяет им противостоять смертельному сакситоксину и алкалоидам, которые они получают с пищей.

Калифорнийские суслики Otospermophilus beecheyi, похоже, используют похожий трюк для защиты от яда гремучей змеи — коктейля из десятков токсинов, которые разрушают стенки кровеносных сосудов, препятствуют свертыванию крови и так далее. Кровь сусликов содержит белки, блокирующие некоторые из этих токсинов, подобно белкам, которые гремучие змеи используют для защиты, если яд высвобождается из их специализированных ядовитых желез. Состав яда различается у разных популяций змей, и биолог-эволюционист Мэтью Холдинг из Мичиганского университета доказал, что противоядие сусликов подбирается под местные виды.

Такая защита не является пуленепробиваемой. По словам Холдинга, гремучие змеи постоянно вырабатывают новый яд, чтобы преодолеть адаптацию белок, и даже гремучая змея умрет, если получит достаточное количество собственного яда. Вот почему животные, даже устойчивые к токсинам, в качестве первой защитной меры стараются избегать токсинов. Отсюда ползание наземных змей и привычка некоторых черепах поедать только кожу живота и внутренности ядовитых тритонов, а не смертоносную кожу спины . Даже насекомые, такие как гусеницы бабочки-монарха, устойчивые к сердечным гликозидам, прокалывают прожилки растений молочая, чтобы вывести токсичную жидкость, прежде чем съесть растение.

Многие животные также находят способы безопасно хранить потребляемые ими токсичные вещества и использовать их в своих целях. Например, радужный жук-короед получает сердечные гликозиды из растений-хозяев, а затем — вероятно, через переносчиков ABCB, — переносит их на спину для самозащиты. «Если вы каким-то образом раздражаете этих жуков, вы видите, как на их надкрыльях, на спинной поверхности, появляются маленькие капельки», — отмечает Доблер.

Благодаря такому захвату яда некоторые насекомые становятся зависимыми от растений-хозяев для выживания. Взаимоотношения между бабочкой-монархом и молочаем — яркий тому пример, а также яркий пример того, насколько длительны могут быть такие переплетенные связи.

В исследовании 2021 года эволюционный биолог и генетик Ноа Уайтман из Калифорнийского университета в Беркли и его коллега выделили четырех животных, которые эволюционировали, чтобы переносить сердечные гликозиды, что позволяет им питаться монархами. Один из них — черноголовый дубонос Eophona, птица, которая питается монархами в горных пихтовых лесах Мексики, куда бабочки летят на зимовку.

Подумайте об этом, говорит Уайтман, токсин, синтезированный в молочае в прериях Онтарио, помог сформировать биологию птицы, которая теперь может спокойно питаться в лесу за тысячи миль: «Просто поразительно, какой путь проделала эта маленькая молекула, и какое влияние она оказала на эволюцию».

Поддержать работу блога донатом можно по ссылке.