Коли змія оголює ікла, вона демонструє одне з найбільших знарядь еволюції. Річ у тім, що зміїна отрута - це не якийсь один токсин, а вируючий коктейль із десятків, а то й сотень білків, що стрімко еволюціонують. На відміну від зброї більшості тварин - пазурів, рогів або зубів, - зміїна отрута перебуває в стані вічної гонки із захисними системами жертв.
Змії вдосконалюють свою отруту, а гризуни та амфібії вдосконалюють стійкість до неї. У цій війні немає переможців, але ніхто не може дозволити собі відстати, пише Forbes. Як же це працює з точки зору еволюційної біології?
Змії біжать наввипередки з Червоною Королевою
Еволюційні біологи називають ці "перегони озброєнь" ефектом Червоної Королеви (або гіпотезою Чорної Королеви): ідея полягає в тому, що хижаки і жертви повинні постійно еволюціонувати просто для того, щоб зберігати статус-кво.
Як резюмує дослідження 2022 року в журналі Biological Theory, гіпотезу Червоної Королеви сформулював Лі Ван Вален 1973 року. Загалом гіпотеза стверджує, що види мають постійно адаптуватися, оскільки їхні партнери по взаємодії також еволюціонують у той самий час.
В отруйних системах цей взаємний відбір жорстокий і миттєвий. Це означає, що навіть найменша зміна у фізіології жертви може зробити токсин змії практично марним. Однак це також винагороджує будь-яку лінію змій, у якої з'являється мутація, що змінює структуру або експресію токсину. І за кілька поколінь ці зміни призводять до величезного розмаїття компонентів отрути.
Назва теорії походить від книги Льюїса Керролла "Аліса в Задзеркаллі", де Чорна (в англійському тексті - Червона) Королева каже Алісі: "Потрібно бігти щодуху, щоб тільки залишатися на місці".
Зрозуміло, чому еволюційні біологи запозичили цю метафору з огляду на те, наскільки точно вона передає суть коеволюції хижака і жертви.
Порівняльне дослідження протеомів отрути і сімейств генів токсинів, опубліковане в Trends in Ecology & Evolution, показує, що зміїна отрута проходить повторювані цикли рекрутування, дуплікації та швидкої диверсифікації генів токсинів.
Простіше кажучи, гени зміїної отрути багаторазово копіюються, а потім модифікуються. Деякі копії спеціалізуються на конкретних завданнях, інші відкидаються. Кінцевим результатом цього процесу є мінливий коктейль, налаштований на місцеву спільноту жертв, часто на рівні конкретної популяції. Це саме той точний молекулярний механізм, який варто очікувати в умовах сильної, безперервної коеволюції.
Однак ці зміни не є односторонніми. Деякі з найбільш вивчених прикладів такого патерну коеволюції "хижак-жертва" отримані з досліджень, що показують, як самі змії можуть виробляти стійкість до токсинів своєї отруйної здобичі.
Наприклад, класичне дослідження 1990 року, опубліковане в Evolution, присвячене підв'язувальним зміям (Thamnophis sirtalis) і отруйним тритонам (Taricha granulosa), дає один з найбільш наочних реальних прикладів коеволюції токсичної резистентності.
У регіонах, де тритони переповнені неймовірно отруйним тетродотоксином (ТТХ), у підв'язувальних змій розвинулися мутації, що притупляють дію ТТХ. А в регіонах, де тритони менш токсичні, змії втрачають цю стійкість. Ця "клаптикова картина" показує, як еволюція часто відображає локально мінливий тиск відбору. Це також демонструє, як захист жертви і контрзаходи хижака можуть обганяти один одного в різних місцях.
Це біохімічне перетягування каната, якому мільйони років, і воно відбувається швидше, ніж майже будь-яка інша динаміка "хижак-жертва" на планеті. І ось чому:
1. Змії генетично створені для швидкості
Еволюція отрути не обмежена повільними структурними змінами, як, наприклад, еволюція кісток або м'язів; її біохімічна природа має вирішальне значення. Зокрема, гени отрути надзвичайно схильні до дуплікації. Це означає, що змії можуть, по суті, "копіювати і вставляти" наявні гени та експериментувати з новими версіями без ризику втрати оригіналу.
Як пояснюється в дослідженні 2014 року, опублікованому в Genome Biology and Evolution, системи зміїної отрути розвивалися за допомогою повторюваних подій дуплікації генів і їх рекрутування. Звичайні фізіологічні гени були перепрофільовані в токсини, а потім швидко диверсифікувалися під дією природного відбору.
Будучи продубльованими, ці гени накопичують мутації з надзвичайно високою швидкістю, що призводить до появи нових варіантів отрути у відносно короткі еволюційні терміни. Зауважте, однак, що ці змії не винаходять колесо заново; вони масово виробляють колеса і випробовують їх на міцність у режимі реального часу.
2. Коли жертва дає здачі, еволюція змії прискорюється
Змії, що спеціалізуються на вузькому наборі жертв, стикаються з дуже інтенсивним еволюційним тиском. Якщо у цієї здобичі розвивається хоч якась стійкість - чи то більш ефективні шляхи згортання крові, чи то змінені нервові рецептори, чи то механізми детоксикації - отрута змії негайно стає менш ефективною.
Це, своєю чергою, значно ускладнює підкорення здобичі, що означає великі проблеми з харчуванням. А в тваринному світі пропущений обід часто означає смерть.
Крім того, жертви можуть використовувати широкий спектр стратегій, щоб не відставати в перегонах із Червоною Королевою, наприклад:
- Механізми поведінкового уникнення.
- Ендогенні фактори, подібні до протиотрути, включно з малими пептидами та сироватковими факторами, що нейтралізують активність отрути.
- Мутації в місцях-мішенях рецепторів, які знижують зв'язування або вплив певних токсинів.
- Морфологічні та біомеханічні особливості, що знижують ефективність отрути завдяки обмеженню проникнення, сповільненню розповсюдження токсину, зміні співвідношення дози до маси або обмеженню швидкого системного розповсюдження через тканини та судинну архітектуру.
Кожен із цих різних захисних механізмів накладає свій власний фільтр відбору на склад отрути. І оскільки багато видів жертв самі по собі численні, живуть недовго і генетично варіативні, їхні еволюційні реакції можуть бути швидкими.
Тому, коли жертва еволюціонує, щоб протистояти отруті, у змій немає іншого вибору, окрім як адаптуватися у відповідь.
Чому еволюція зміїної отрути має значення
Розуміння цієї надшвидкої еволюції має кілька практичних наслідків, найочевидніший з яких стосується протиотрут. Протиотрути досі виробляються шляхом імунізації тварин отрутою. Тому, якщо склад отрути почне відрізнятися залежно від популяції або зміниться з плином часу, протиотрута, створена проти однієї "версії", найімовірніше, буде менш ефективною проти іншої.
У цьому сенсі знання про ці токсини, що швидко змінюються, сприятимуть прогресу в наступних галузях:
- Розробка протиотрут нового покоління, заснована на розумінні еволюції отрути і різноманітності токсинів.
- Пошук ліків і раціональний терапевтичний дизайн, включно з високоспецифічними антикоагулянтами, анальгетиками, антигіпертензивними препаратами і модуляторами іонних каналів, отриманими з пептидів отрути.
- Точне націлювання на рецептори і ферменти з використанням компонентів отрути як молекулярних зондів для вивчення сигнальних шляхів, каскадів коагуляції і нервово-м'язової передачі.
- Терапія раку, аутоімунних захворювань і болю з використанням молекул, отриманих з отрути, які модулюють клітинну адгезію, нервові канали, ангіогенез, апоптоз та імунну сигналізацію.
Що робить ці еволюційні перегони озброєнь настільки примітними, так це швидкість, з якою вони відбуваються. Зміїна отрута може істотно змінитися за напрочуд короткі еволюційні вікна; для герпетологів це означає, що земля постійно йде з-під ніг.
Профілі отрут, складені кілька десятиліть тому, можуть бути вже застарілими, а захист жертв міг піти вперед. Ця молекулярна битва триває незалежно від того, спостерігаємо ми за нею чи ні.
Інші цікаві новини про дику природу
Раніше УНІАН повідомляв, чому в диких тварин не буває висячих вух. Найбільш очевидне порівняння - між вовками та собаками. Але справа не лише у вухах, одомашнені тварини мають багато відмінностей від своїх диких предків.
Крім того, ми також розповідали про тварину, яка може "стріляти" отрутою з неймовірною точністю. Вони становлять подвійну загрозу. Їхні укуси можуть завдати серйозних травм або призвести до смерті, але це не єдина їхня зброя.
