Змії та їхні жертви беруть участь у нескінченній еволюційній гонці озброєнь, де зупинитися - означає загинути.
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?
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:
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.
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:
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.
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.