Cum supraviețuiesc animalele toxinelor mortale. "Câteva miligrame dintr-un singur compus pot schimba totul"

Animalele care mănâncă alte specii ce conțin toxine mortale au dezvoltat o serie de strategii inteligente pentru a rămâne în viață. Totuşi, 10 șerpi s-au confruntat cu o situație dificilă. Aduşi din Amazonul columbian, aceştia au stat fără hrană timp de câteva zile în captivitate, apoi li s-a prezentat o pradă extrem de neapetisantă: broaștele otrăvitoare cu trei dungi, Ameerega trivittata. Pielea acestor broaște conține toxine mortale, precum histrionicotoxine, pumiliotoxine și decahidrochinoline, care interferează cu proteinele celulare esențiale. Doar 4 şerpi au ales să mănânce broasca, trei dintre ei supravieţuind, scrie BBC News.

Șase dintre șerpii regali de pământ (Erythrolamprus reginae) au preferat să nu mănânce. Ceilalți patru s-au strecurat cu neînfricare pentru a prăda.

"Înainte de a-și înghiți mâncarea, au târât broaștele pe pământ – similar modului în care unele păsări freacă toxinele de pe pradă", a remarcat biologul Valeria Ramírez Castañeda de la Universitatea din California, Berkeley, și colegii săi, care au efectuat experimentul.

Trei dintre cei patru șerpi au supraviețuit mesei, ceea ce sugerează că organismele lor erau capabile să gestioneze toxinele rămase.

Ființele vii au folosit molecule mortale pentru a se ucide între ele timp de sute de milioane de ani. Mai întâi au apărut microbii, care au folosit substanțele chimice pentru a elimina competitorii sau a ataca celulele gazdă pe care le invadau, apoi animalele, pentru a ucide prada sau a alunga prădătorii, și plantele, pentru a se apăra împotriva erbivorelor. Ca răspuns, multe animale au dezvoltat modalități de a supraviețui acestor toxine. Uneori chiar le stochează pentru a le folosi împotriva adversarilor.

Oamenii de știință încep să descifreze aceste apărări creative antitoxinice și speră să identifice tratamente mai bune pentru otrăvirile umane.

"Mai fundamental, ei află despre o forță care a contribuit în liniște la modelarea comunităților biologice. Doar miligrame dintr-un singur compus pot schimba toate interacțiunile dintr-un ecosistem", spune biologul evoluționist Rebecca Tarvin de la Universitatea din California, Berkeley, care a ajutat la supervizarea experimentului.

Război biologic

Speciile devin toxice în diverse moduri. Unele dintre ele produc singure toxinele: broaștele bufonide, de exemplu, produc molecule numite glicozide cardiace, care împiedică o proteină numită pompă de sodiu–potasiu să transporte ioni în și din celule. O astfel de transportare este esențială pentru menținerea volumului celular, contracția mușchilor și transmiterea impulsurilor nervoase.

Alte animale găzduiesc în corpul lor bacterii producătoare de toxine – acesta este cazul peștelui-balon, a cărui carne care conține tetrodotoxină se poate dovedi letală pentru consum.

Și multe altele își obțin toxinele prin alimente – exemple sunt broaștele otrăvitoare, care devorează insecte și acarieni ce conțin toxine. Printre aceste broaște se numără specia cu care au fost hrăniți șerpii.

Pe măsură ce unele animale au evoluat pentru a deveni toxice, și-au reconfigurat și corpurile pentru a evita să se otrăvească. Același lucru s-a întâmplat și cu creaturile pe care le mănâncă sau care le mănâncă pe ele. Cea mai bine studiată dintre aceste adaptări implică modificări ale proteinelor care sunt în mod normal dezactivate de toxine, astfel încât acestea devin rezistente. De exemplu, insectele care cresc și se hrănesc cu plante bogate în glicozide au evoluat pompe de sodiu–potasiu de care glicozida nu se poate lega.

"Însă schimbarea unei molecule vitale poate crea complicații pentru o creatură", spune biologul molecular Susanne Dobler de la Universitatea din Hamburg, Germania.

În studiile sale cu insecta mare asclepias, care se hrănește cu semințe de asclepias, ea a descoperit că, cu cât pompa devine mai rezistentă la glicozide, cu atât este mai puțin eficientă. Iar aceasta este o problemă în celulele nervoase, unde pompa este deosebit de importantă.

Se pare că insecta a evoluat o modalitate de a ocoli problema. Într-un studiu din 2023, Dobler și colegii săi au studiat rezistența la toxine a trei versiuni ale pompei fabricate de creatură. Au aflat că cea mai funcțională, cea din creier, este și cea mai sensibilă la toxine.

"Insecta asclepias trebuie să fi dezvoltat alte modalități de a proteja creierul de glicozide", spune Dobler.

Dobler suspectează că sunt implicate proteine numite transportori ABCB: acestea se află în membranele celulare și elimină deșeurile și alte produse nedorite din celule. Ea a descoperit că anumite molii șoim folosesc proteine transportoare ABCB situate în jurul țesuturilor nervoase pentru a transporta glicozide cardiace în afara celulelor. Poate că insecta laptelui face ceva similar.

Dobler testează, de asemenea, o ipoteză conform căreia multe insecte au transportori ABCB în membranele intestinale, împiedicând substanțele toxice să pătrundă în organism. Acest lucru ar putea explica modul în care gândacul roșu aprins al cepei, care se hrănește cu lăcrămioare bogate în glicozide, pare neperturbat de toxine și doar le excretă.

"Fecalele rezultate au avantajul de a respinge furnicile prădătoare", a raportat Dobler în 2023.

Pentru șerpii regali de pământ, ficatul pare a fi esențial. Din experimentele pe culturi celulare, echipa lui Tarvin are dovezi că ceva din extractul de ficat de șarpe protejează împotriva toxinelor broaștelor otrăvitoare cu trei dungi. Echipa emite ipoteza că șerpii au enzime care transformă substanțele mortale în forme netoxice, la fel cum face corpul uman cu alcoolul și nicotina.

Ficatul de șarpe poate conține, de asemenea, proteine care se lipesc de toxine și le fac incapabile să se lege de țintele lor – absorbindu-le ca niște bureți. Oamenii de știință au descoperit astfel de proteine "burete de toxine" în sângele unor broaște otrăvitoare, permițându-le să reziste toxinelor mortale, saxitoxinelor și alcaloizilor pe care le primesc din dieta lor.

Veverițele de pământ din California par să folosească un truc similar pentru a se apăra împotriva veninului de șarpe cu clopoței, un cocktail de zeci de toxine care distrug pereții vaselor de sânge, împiedică coagularea sângelui și multe altele. Sângele veverițelor de pământ conține proteine care blochează unele dintre aceste toxine – la fel ca proteinele pe care șerpii cu clopoței le folosesc pentru protecție în cazul în care veninul scapă din glandele lor specializate. Compoziția veninului diferă în funcție de populațiile de șerpi, iar biologul evoluționist Matthew Holding de la Universitatea din Michigan are dovezi că amestecul antivenin al veverițelor de pământ este adaptat pentru a se potrivi cu șerpii locali.

"Astfel de apărări nu sunt infailibile. Șerpii cu clopoței dezvoltă constant venin nou pentru a depăși adaptările veverițelor și chiar și un șarpe cu clopoței va muri dacă este injectat cu suficient venin propriu", spune Holding.

De aceea, animalele, chiar și cele rezistente, încearcă, ca prim pas defensiv, să evite toxinele. De aici și comportamentul de târâre al șerpilor de sol și practica unor țestoase de a consuma doar pielea de pe burtă și măruntaiele tritonilor toxici, nu și pielea mortală de pe spate. Chiar și insecte precum omizile monarh, care sunt rezistente la glicozidele cardiace, vor ciupi venele plantelor de lapte pentru a drena lichidul toxic înainte de a se îngropa în plantă.

Cooptarea toxinelor

Multe animale găsesc, de asemenea, modalități de a depozita în siguranță substanțele chimice toxice pe care le consumă și de a le folosi în propriile scopuri. Gândacul iridescent (Anglica), de exemplu, obține glicozide cardiace de la plantele gazdă și apoi – probabil prin intermediul transportorilor ABCB – le transportă pe spate pentru autoapărare.

"Când cumva îi deranjezi pe acești gândaci, poți vedea mici picături apărând pe elitrele lor, pe suprafața dorsală", spune Dobler.

Prin acest tip de cooptare a otrăvurilor, unele insecte devin dependente de plantele gazdă pentru supraviețuire. Relația dintre fluturele monarh și planta asclepias este un exemplu excelent și, de asemenea, un exemplu excelent al lungimii de acțiune pe care o pot avea astfel de conexiuni împletite.

Într-un studiu din 2021, biologul evoluționist și geneticianul Noah Whiteman de la Universitatea din California, Berkeley, și colegul său au identificat patru animale care au evoluat pentru a tolera glicozidele cardiace, permițându-le să se hrănească cu fluturii monarh. Unul este cioc-cocoșul cu cap negru, o pasăre care se hrănește cu fluturii monarh în pădurile de brad de pe vârfurile munților din Mexic, unde fluturii zboară spre sud pentru a ierna.

"O toxină care a fost asamblată într-o plantă de lapte dintr-o prerie din Ontario a contribuit la modelarea biologiei unei păsări, astfel încât aceasta să poată lua masa în siguranță într-o pădure aflată la mii de kilometri distanță. Este pur și simplu uimitoare călătoria parcursă de această mică moleculă și influența pe care o are asupra evoluției", spune Whiteman.