مارها در حال پاک کردن سم از قورباغه ها در میان مسابقه تسلیحات سمی طبیعت: ScienceAlert گرفتار شدند

آنها که توسط آمازون کلمبیایی جمع آوری شده بودند، برای چند روز در اسارت از غذا محروم شدند و سپس طعمه های بسیار ناخوشایندی را به دست آوردند: قورباغه های سه پا با دارت های سمی، Ameerega trivittata.

پوست این قورباغه ها حاوی سموم کشنده ای مانند هیستریونیکوتوکسین ها، پومیلیوتوکسین ها و دکاهیدروکینولین ها است که با پروتئین های ضروری سلولی تداخل دارند.

شش مار سلطنتی زمین (اریترولامپروس رژینا) گرسنگی را ترجیح می دهد. چهار نفر دیگر بدون ترس وارد عمل شدند.

والریا رامیرز کاستاندا زیست‌شناس از دانشگاه کالیفرنیا و همکارانش که این آزمایش را انجام دادند، خاطرنشان کردند: اما قبل از خوردن غذا، قورباغه‌ها را در امتداد زمین می‌کشاندند – شبیه به روشی که برخی از پرندگان سموم را از طعمه خود پاک می‌کنند.

صدها میلیون سال است که موجودات زنده مولکول های مرگباری را برای کشتن یکدیگر در خود جای داده اند. ابتدا میکروب هایی وجود داشتند که از مواد شیمیایی برای حذف رقبا یا حمله به سلول های میزبانی که به آنها حمله کردند استفاده می کردند. سپس حیوانات برای کشتن طعمه یا دفع شکارچیان و گیاهان برای دفاع در برابر علفخواران. در پاسخ، بسیاری از حیوانات راه هایی برای زنده ماندن از این سموم ایجاد کرده اند. حتی گاهی اوقات آنها را ذخیره می کنند تا در برابر حریفان استفاده کنند.

دانشمندان شروع به کشف این مکانیسم‌های دفاعی خلاقانه آنتی‌توکسین کرده‌اند و امیدوارند که در نتیجه درمان‌های بهتری برای مسمومیت‌های انسانی شناسایی کنند. ربکا تاروین، زیست‌شناس تکاملی از دانشگاه کالیفرنیا، که به نظارت بر آزمایش مار کمک کرد و در سال 2023 درباره استراتژی‌های مشابه نوشت، می‌گوید اساساً آنها در حال یادگیری در مورد نیرویی هستند که بی‌سر و صدا به شکل‌گیری جوامع بیولوژیکی کمک کرده است. بررسی سالانه اکولوژی، تکامل و سیستماتیک.

تاروین می گوید: «فقط میلی گرم از یک ترکیب و می تواند تمام فعل و انفعالات یک اکوسیستم را تغییر دهد.

جنگ بیولوژیکی

گونه ها به روش های مختلف سمی می شوند. برخی خود سموم را تولید می کنند: برای مثال قورباغه های بوفونید مولکول هایی به نام گلیکوزیدهای قلبی تولید می کنند که پروتئینی به نام پمپ سدیم-پتاسیم را از انتقال یون ها به داخل و خارج سلول ها باز می دارد. چنین شنتی برای حفظ حجم سلولی، انقباض عضلانی و انتقال تکانه های عصبی حیاتی است.

سایر حیوانات در بدن خود دارای باکتری های تولید کننده سم هستند، مانند ماهی بادکنکی که خوردن گوشت آن حاوی تترودوتوکسین می تواند کشنده باشد.

و بسیاری دیگر سموم خود را از طریق غذا دریافت می کنند – نمونه هایی از قورباغه های دارت سمی هستند که حشرات و کنه های حاوی سم را می بلعند. این قورباغه ها شامل گونه هایی هستند که از مارهای زمینی تغذیه شده اند.

همانطور که برخی از حیوانات تکامل یافتند تا سمی شوند، بدن خود را نیز سیم کشی کردند تا از مسمومیت جلوگیری کنند. همین اتفاق برای موجوداتی که می خورند یا آنها را می خورند، رخ داده است.

بهترین مورد مطالعه شده از این سازگاری ها شامل تغییراتی در پروتئین هایی است که معمولاً توسط سموم غیرفعال می شوند به طوری که اکنون مقاوم هستند. به عنوان مثال، حشراتی که رشد می کنند و از علف های شیر غنی از گلیکوزید تغذیه می کنند، پمپ های سدیم-پتاسیم تولید کرده اند که گلیکوزیدها نمی توانند به آنها متصل شوند.

سوزان دوبلر، زیست شناس مولکولی از دانشگاه هامبورگ در آلمان می گوید، اما تغییر یک مولکول حیاتی می تواند عوارضی برای ارگانیسم ایجاد کند. او در مطالعات خود بر روی حشره بزرگ علف شیر، که از دانه‌های علف شیر تغذیه می‌کند، دریافت که هر چه پمپ در برابر گلیکوزید مقاوم‌تر شود، کارایی آن کمتر است. و این یک مشکل در سلول های عصبی است، جایی که پمپ از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

به نظر می رسد باگ این مشکل را حل کرده است. در یک مطالعه در سال 2023، دابلر و همکارانش مقاومت به سم را در سه نسخه از پمپ ساخته شده توسط این موجود بررسی کردند. آنها آموختند که عملکردی ترین قسمت مغز نیز حساس ترین قسمت به سموم است. دابلر می گوید که حشره شیر باید راه های دیگری برای محافظت از مغز در برابر گلیکوزیدها ایجاد کرده باشد.

دابلر مشکوک است که پروتئین هایی به نام ناقل ABCB در این امر دخیل هستند: آنها در غشای سلولی قرار دارند و مواد زائد و سایر محصولات ناخواسته را از سلول ها خارج می کنند. او کشف کرد که برخی از ماهورها از پروتئین های انتقال دهنده ABCB واقع در اطراف بافت های عصبی آنها برای انتقال گلیکوزیدهای قلبی به خارج از سلول ها استفاده می کنند. شاید حشره شیر کاری مشابه انجام دهد.

دابلر همچنین این فرضیه را آزمایش کرد که بسیاری از حشرات دارای ناقل ABCB در غشای روده خود هستند و از ورود مواد سمی به بدن جلوگیری می کنند. این ممکن است توضیح دهد که چگونه سوسک پیاز قرمز روشن، که از زنبق غنی از گلیکوزید تغذیه می کند، به نظر می رسد که از سموم خسته نشده و به سادگی آنها را دفع می کند. Dobler در سال 2023 گزارش داد که فضولات حاصل از دفع مورچه های درنده مزیت دارد.

برای شاه مارهای زمین، کبد به نظر کلیدی است. از آزمایش های کشت سلولی، تیم تاروین شواهدی در دست دارند که نشان می دهد چیزی در عصاره کبد مار در برابر سموم قورباغه دارت سمی محافظت می کند.

این تیم فرضیه می‌کند که مارها دارای آنزیم‌هایی هستند که مواد کشنده را به اشکال غیرسمی تبدیل می‌کنند، درست مانند آنچه بدن انسان با الکل و نیکوتین انجام می‌دهد. جگر مار همچنین ممکن است حاوی پروتئین هایی باشد که به سموم می چسبند و باعث می شوند آنها نتوانند به اهداف خود متصل شوند و مانند اسفنج آنها را از بین می برند.

دانشمندان چنین پروتئین های “قارچ سمی” را در خون برخی از قورباغه های سمی یافته اند که به آنها اجازه می دهد در برابر ساکسی توکسین های کشنده و سموم آلکالوئیدی که از رژیم غذایی خود دریافت می کنند مقاومت کنند.

به نظر می رسد سنجاب های زمینی کالیفرنیا از ترفند مشابهی برای محافظت از خود در برابر سم مار زنگی، کوکتلی از ده ها سم که دیواره رگ های خونی را تخریب می کند، از لخته شدن خون جلوگیری می کند و غیره استفاده می کنند. خون سنجاب زمینی حاوی پروتئین‌هایی است که برخی از این سموم را مسدود می‌کنند – مانند پروتئین‌هایی که رامبل‌ها برای دفاع از خود در صورت خروج زهر از غدد سمی خاص خود استفاده می‌کنند.

ترکیب زهر در میان جمعیت‌های مختلف مارها متفاوت است و متیو هلدینگ زیست‌شناس تکاملی از دانشگاه میشیگان شواهدی در دست دارد که نشان می‌دهد ترکیب ضد سم سنجاب‌های زمینی برای مطابقت با مارهای محلی طراحی شده است.

چنین دفاعی زرهی نیست. هلدینگ می‌گوید مارهای زنگی دائماً در حال تولید سم جدید برای غلبه بر دفاع سنجاب‌ها هستند و حتی اگر مار زنگی به اندازه کافی از سم خود تزریق شود، می‌میرد.

به همین دلیل است که حیوانات، حتی حیوانات مقاوم، به عنوان اولین گام دفاعی سعی می کنند از سموم دوری کنند. از این رو رفتار کششی مارهای زمینی و تمرین برخی از لاک پشت ها برای مصرف فقط پوست شکم و احشاء نیوت های سمی به جای پوست کشنده کمر است.

حتی حشراتی مانند کاترپیلارهای سلطنتی که در برابر گلیکوزیدهای قلبی مقاوم هستند، رگه‌های گیاهان علف شیر را برش می‌دهند تا مایع سمی را قبل از نفخ در گیاه تخلیه کنند.

انتخاب سموم

بسیاری از حیوانات همچنین راه هایی برای ذخیره ایمن مواد شیمیایی سمی که مصرف می کنند پیدا می کنند و از آنها برای اهداف خود استفاده می کنند. به عنوان مثال، سوسک سرریز، گلیکوزیدهای قلبی را از گیاهان میزبان خود به دست می آورد و سپس – احتمالاً از طریق ناقلان ABCB – آنها را برای دفاع از خود به پشت خود منتقل می کند.

دوبلر می‌گوید: «وقتی این سوسک‌ها را به نوعی تحریک می‌کنید، می‌توانید قطرات کوچکی را روی الیترا، سطح پشتی‌شان مشاهده کنید.

از طریق این نوع سم، برخی از حشرات برای بقا به گیاهان میزبان خود وابسته می شوند. رابطه بین پروانه پادشاه و گیاه علف شیر یک نمونه بارز است – و همچنین نمونه بارز دستیابی طولانی چنین روابط درهم تنیده ای است.

در مطالعه‌ای در سال 2021، نوح وایتمن، زیست‌شناس تکاملی و ژنتیک‌دان از دانشگاه کالیفرنیا، و همکارش، چهار حیوان را شناسایی کردند که تکامل یافته‌اند تا گلیکوزیدهای قلبی را تحمل کنند و به آنها اجازه دهند از پادشاهان تغذیه کنند. یکی اسکناس سر سیاه است، پرنده ای که در جنگل های صنوبر کوه های مکزیک، جایی که پروانه ها برای زمستان گذرانی به سمت جنوب پرواز می کنند، با پادشاهان جشن می گیرد.

وایتمن می‌گوید این را در نظر بگیرید: سمی که در یک گیاه علف شیر در دشت انتاریو جمع‌آوری شده بود به شکل‌گیری زیست‌شناسی یک پرنده کمک کرد تا بتواند با خیال راحت در جنگلی در هزاران مایل دورتر جستجو کند.

او می‌گوید: «این فقط شگفت‌انگیز است، سفری که این مولکول کوچک طی کرده و تأثیری که بر تکامل داشته است».

این مقاله در ابتدا در مجله Knowable منتشر شد، یک نشریه غیرانتفاعی که به دانش علمی در دسترس همگان اختصاص داشت. در خبرنامه مجله Knowable مشترک شوید.