在大自然的有毒軍備競賽中，蛇被抓到“擦掉”青蛙身上的毒藥

從哥倫比亞亞馬遜收集的它們，在圈養(yǎng)中已經(jīng)幾天沒有食物了，然后看到了極其令人倒胃口的獵物：三條紋箭毒蛙，Ameerega trivittata.

這些青蛙的皮膚含有致命的毒素，例如組骨毒素、布丁毒素和十氫喹啉，會干擾必需的細(xì)胞蛋白。

六條皇家地蛇（雷吉納紅蚧 Erythrolamprus reginae）寧愿挨餓。其他四只勇敢地溜進(jìn)去殺戮。

但在吞下食物之前，它們會拖著青蛙穿過地面——類似于一些鳥類從獵物身上擦掉毒素的方式，著名生物學(xué)家瓦萊里婭·拉米雷斯·卡斯塔涅達(dá)加州大學(xué)伯克利分校和她的同事進(jìn)行了這項實驗。

數(shù)億年來，生物一直在揮舞著致命的分子互相殘殺。首先是微生物，它們使用這些化學(xué)物質(zhì)來清除競爭對手或攻擊它們正在入侵的宿主細(xì)胞;然后是動物，殺死獵物或抵御捕食者，植物，抵御食草動物。作為回應(yīng)，許多動物已經(jīng)進(jìn)化出在這些毒素中生存的方法。他們有時甚至?xí)Υ嫠鼈円詫Ω秾κ帧?/p>

科學(xué)家們開始解開這些創(chuàng)造性的抗毒素防御措施，并希望因此找到更好的治療方法來治療人類中毒。進(jìn)化生物學(xué)家說，更根本的是，他們正在了解一種悄悄幫助塑造生物群落的力量麗貝卡·塔文加州大學(xué)伯克利分校的，他幫助監(jiān)督了蛇實驗，并在 2023 年撰寫了有關(guān)此類策略的文章生態(tài)學(xué)、進(jìn)化和系統(tǒng)學(xué)年度回顧.

“只需幾毫克的單一化合物，就可以改變生態(tài)系統(tǒng)中的所有相互作用，”塔文說。

生物戰(zhàn)

物種以多種方式變得有毒。其中一些會自己制造毒素：例如，蟾蜍會產(chǎn)生稱為強(qiáng)心苷的分子，這些分子可以阻止一種稱為鈉鉀泵的蛋白質(zhì)將離子分流進(jìn)出細(xì)胞。這種分流對于維持細(xì)胞體積、收縮肌肉和傳遞神經(jīng)沖動至關(guān)重要。

其他動物體內(nèi)含有產(chǎn)生毒素的細(xì)菌——河豚就是這種情況，其含有河豚毒素的肉被證明是致命的。

還有許多其他人通過食物獲取毒素——例子是毒蛙，吞噬含毒素的昆蟲和螨蟲;這些青蛙包括喂給地蛇的物種。

隨著一些動物進(jìn)化成有毒的動物，它們也重新連接了身體以避免中毒。同樣的事情也發(fā)生在他們吃的或吃他們的生物身上。

這些改編中研究得最好的涉及通常被毒素禁用的蛋白質(zhì)的變化，這樣它們現(xiàn)在就具有抵抗力了。例如，以富含糖苷的馬利筋植物為食的昆蟲具有進(jìn)化鈉鉀泵糖苷不能結(jié)合。

但分子生物學(xué)家說，改變一個重要的分子會給生物帶來并發(fā)癥蘇珊娜·多布勒德國漢堡大學(xué)。在她對以馬利筋種子為食的大型馬利筋蟲的研究中，她發(fā)現(xiàn)泵的抗糖苷性越強(qiáng)，效率就越低。這是神經(jīng)細(xì)胞中的一個問題，泵尤為關(guān)鍵。

該錯誤似乎已經(jīng)進(jìn)化出解決了這個問題的方法。在 2023 年的一項研究中，Dobler 及其同事研究了跨越的毒素耐藥性泵的三個版本由生物制造。他們了解到，大腦中功能最強(qiáng)大的大腦也是對毒素最敏感的大腦。多布勒說，馬利筋蟲一定進(jìn)化出其他方法來保護(hù)大腦免受糖苷的侵害。

Dobler 懷疑與稱為 ABCB 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的蛋白質(zhì)有關(guān)：這些蛋白質(zhì)位于細(xì)胞膜中，將廢物和其他不需要的產(chǎn)物分流出細(xì)胞。她發(fā)現(xiàn)某些鷹蛾使用 ABCB 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于它們的神經(jīng)組織周圍，將強(qiáng)心苷從細(xì)胞中穿梭出來。也許馬利筋蟲也在做類似的事情。

多布勒還在檢驗一種假設(shè)，即許多昆蟲的腸膜中都有 ABCB 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，從一開始就阻止有毒物質(zhì)進(jìn)入人體。這可以解釋為什么以富含糖苷的鈴蘭為食的鮮紅色洋蔥甲蟲似乎不受毒素的影響，只是將它們排出體外。由此產(chǎn)生的糞便有驅(qū)除掠食性螞蟻的好處，Dobler 在 2023 年報道。

對于皇家地蛇來說，肝臟似乎是關(guān)鍵。從細(xì)胞培養(yǎng)實驗中，塔文的團(tuán)隊有證據(jù)表明，蛇肝提取物中的某些物質(zhì)可以防止三條紋箭毒蛙的毒素。

該團(tuán)隊假設(shè)，這些蛇含有將致命物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒形式的酶，就像人體對酒精和尼古丁所做的那樣。蛇肝還可能含有粘附在毒素上的蛋白質(zhì)，使它們無法與目標(biāo)結(jié)合——像海綿一樣將它們擦干凈。

科學(xué)家們在一些毒蛙的血液中發(fā)現(xiàn)了這種“毒素海綿”蛋白，使它們能夠抵抗致命的石房蛤毒素和生物堿毒素他們從飲食中獲取。

加州地松鼠似乎使用類似的技巧來抵御響尾蛇毒液，響尾蛇毒液是一種由數(shù)十種毒素組成的混合物，可以破壞血管壁、阻止血液凝固等。地松鼠的血液含有阻斷其中一些毒素的蛋白質(zhì)——就像響尾蛇在毒液逃逸其特殊毒腺時使用自己進(jìn)行保護(hù)的蛋白質(zhì)一樣。

毒液的成分蛇種群不同和進(jìn)化生物學(xué)家馬修·霍爾丁密歇根大學(xué)有證據(jù)表明，地松鼠的抗蛇毒血清混合物是為匹配當(dāng)?shù)厣叨可矶ㄖ?/a>.

這種防御措施并不是萬無一失的。霍爾丁說，響尾蛇不斷進(jìn)化出新的毒液來克服松鼠的防御，如果注射足夠的自身毒液，即使是響尾蛇也會死亡。

這就是為什么動物，即使是有抵抗力的動物，也會嘗試作為防御的第一步，避免毒素。因此，地蛇的拖拽行為，以及一些海龜?shù)淖龇?a>只吃有毒蠑螈的腹部皮膚和內(nèi)臟，不要食用致命的背部皮膚.

甚至昆蟲喜歡帝王毛毛蟲對強(qiáng)心苷有抗性的馬利筋植物會在進(jìn)入植物之前劃傷馬利筋植物的葉脈，以排出有毒液體。

吸收毒素

許多動物還想方設(shè)法安全地儲存它們消耗的有毒化學(xué)物質(zhì)并將其用于自己的目的。例如，彩虹色的狗禍甲蟲從其寄主植物中獲取強(qiáng)心苷，然后——可能通過 ABCB 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白– 將它們穿梭到背上進(jìn)行自衛(wèi)。

“當(dāng)你以某種方式惹惱這些甲蟲時，你可以看到它們的鞘翅（背表面）上出現(xiàn)小水滴，”多布勒說。

通過這種毒藥吸收，一些昆蟲開始依賴寄主植物生存。之間的關(guān)系帝王蝶馬利筋植物就是一個典型的例子，也是這種相互交織的聯(lián)系可能具有廣泛影響的典型例子。

在 2021 年的一項研究中，進(jìn)化生物學(xué)家和遺傳學(xué)家諾亞·懷特曼加州大學(xué)伯克利分校和他的同事發(fā)現(xiàn)了四種動物已經(jīng)進(jìn)化到可以耐受強(qiáng)心苷，讓它們以帝王蝶為食。一種是黑頭羅喙鳥，這種鳥在墨西哥山頂冷杉林中以帝王蝶為食，蝴蝶在那里向南飛越冬。

想想看，懷特曼說：一種在安大略省大草原上的馬利筋植物中組裝的毒素有助于塑造鳥類的生物學(xué)，使其可以在數(shù)千英里外的森林中安全地進(jìn)食。

“這真是太神奇了，”他說——“這個小分子所走過的旅程，以及它對進(jìn)化的影響。

這文章最初發(fā)表在Knowable 雜志，一個致力于讓所有人都能獲得科學(xué)知識的非營利性出版物。訂閱 Knowable 雜志的時事通訊.