От ярко окрашенных ядовитых лягушек Южной Америки до доисторических тритонов Западных США - мир полон красивых и смертельно опасных амфибий. Всего несколько миллиграммов тетродотоксина тритона могут привести к летальному исходу, а некоторые из этих лягушек производят самые сильные яды, встречающиеся в природе.
В последние годы ученые проявляют все больший интерес к изучению ядовитых амфибий и начинают разгадывать тайны, которые они хранят. Например, как получается, что животные не отравляют себя вместе со своими потенциальными хищниками? И как именно те, кто проглатывает токсины, чтобы стать ядовитыми, переносят их из желудка на кожу?
Даже источник яда иногда остается неясным. Некоторые амфибии получают токсины из своего рациона, а многие ядовитые организмы - от симбиотических бактерий, живущих на их коже, но другие могут вырабатывать токсины самостоятельно, а могут и не вырабатывать, что заставило ученых пересмотреть некоторые классические гипотезы.
Смертоносные средства защиты
На протяжении долгой эволюции животные часто прибегали к ядам в качестве средства защиты. В отличие от ядов, которые вводятся через клык, жало, колючки или другие специализированные структуры в наступательных или оборонительных целях, яды - это, как правило, защитные токсины, которые вырабатывает животное и которые должны быть проглочены или поглощены, прежде чем они начнут действовать.
Земноводные обычно накапливают свои яды в коже или на коже, предположительно для того, чтобы увеличить вероятность того, что потенциальный хищник будет отпугнут или выведен из строя до того, как он сможет съесть или тяжело ранить его. Многие из самых сильных ядов, такие как тетродотоксин, эпибатидин и буфотоксины, первоначально обнаруженные у жаб, - это яды, которые вмешиваются в белки клеток или имитируют ключевые сигнальные молекулы, нарушая тем самым нормальное функционирование.
Это делает их очень эффективным средством отпугивания широкого круга хищников, но при этом возникает проблема: ядовитые животные также имеют эти восприимчивые белки - так почему бы им тоже не отравиться?
Этим вопросом занялась эволюционный биолог Ребекка Тарвин, когда была аспиранткой Техасского университета в Остине. Тарвин решила изучать эпибатидин, один из самых сильных ядов из тысячи с лишним известных соединений ядовитых лягушек. Он содержится в таких лягушках, как ядовитая лягушка-стрела Энтони (Epipedobates anthonyi), маленькое, румяное существо со светло-зеленовато-белыми пятнами и полосами. Эпибатидин связывается с рецептором нервной сигнальной молекулы, называемой ацетилхолином, и активирует его. Эта неправильная активация может вызвать судороги, паралич и, в конечном итоге, смерть.
Тарвин предположила, что лягушки, как и некоторые другие ядовитые животные, выработали устойчивость к токсину. Она и ее коллеги выявили мутации в генах ацетилхолинового рецептора у трех групп ядовитых лягушек, а затем сравнили активность рецептора с мутацией и без нее в лягушачьих яйцах. Мутации слегка изменили форму рецептора, что привело к снижению эффективности связывания эпибатидина и ограничению его нейротоксического действия.
Это помогает решить одну проблему, но создает другую: Мутации также не позволят ацетилхолину эффективно связываться, что нарушит нормальное функционирование нервной системы. Чтобы решить эту вторую проблему, Тарвин обнаружил, что у каждой из трех групп лягушек есть еще одна мутация в белке рецептора, которая снова изменяет форму рецептора таким образом, что позволяет ацетилхолину связываться, но при этом отвергает эпибатидин. "Это серия очень незначительных изменений, - говорит Тарвин, - которые делают рецептор менее чувствительным к эпибатидину, но при этом позволяют ацетилхолину выполнять свои обычные нейронные функции".
Эпибатидин, мощный токсин, используемый некоторыми ядовитыми лягушками, действует путем связывания с тем же рецептором, что и нейротрансмиттер ацетилхолин (слева). Это неправильно активирует рецептор, нарушая нормальную нервную деятельность. В ответ на это у ядовитых лягушек в рецепторе произошла мутация, которая изменила его форму, так что эпибатидин больше не связывается так эффективно (в центре) - но и ацетилхолин тоже. Поэтому у лягушек произошло второе изменение формы рецептора, которое восстанавливает способность ацетилхолина связываться, но при этом исключает эпибатидин, восстанавливая нормальную работу нервов.Тарвин, работающая сейчас в Калифорнийском университете в Беркли, изучает, как животные эволюционируют, чтобы справиться с токсинами, используя более легкодоступный экспериментальный организм - плодовую мушку. С этой целью она и ее коллеги кормили пищей, содержащей токсичный никотин, две линии плодовых мушек, различающихся по способности расщеплять никотин.
Когда исследователи подвергали личинок мух воздействию хищников - паразитических ос, откладывающих яйца в мух, - обе группы мух были защищены никотином, который они ели, и который убивал некоторых развивающихся паразитов. Но только мухи с более быстрым метаболизмом получили выгоду от своего токсичного рациона, потому что мухи с медленным метаболизмом больше страдали от отравления никотином.
Тарвин и ее студенты сейчас работают над экспериментом, чтобы выяснить, смогут ли они вызвать эволюцию адаптаций, подобных тем, которые она выявила в белках лягушек, подвергая поколения мух воздействию никотина и ос, а затем размножая выживших мух.
Рыбалка на яды
Ядовитые животные должны не только выживать за счет собственных токсинов; многим из них также необходим способ безопасной транспортировки токсинов в своем теле туда, где они необходимы для защиты. Например, ядовитые лягушки, которые получают свои токсины из определенных муравьев и клещей, входящих в их рацион, должны переправлять токсины из кишечника в кожные железы.
Аврора Альварес-Буйла, аспирантка по биологии из Стэнфордского университета, пыталась выяснить, какие гены и белки используют лягушки для этой доставки. Для этого Альварес-Буйла и ее коллеги использовали маленькую молекулу, которую она называет "рыболовным крючком", чтобы поймать белки, которые связываются с токсином - пумилиотоксином - который лягушки проглатывают. Один конец крючка имеет форму пумилиотоксина, а на другом конце находится флуоресцентный краситель. Когда белок, который обычно связывается с пумилиотоксином, вместо этого цепляется за подобный крючок, краситель позволяет исследователям идентифицировать белок.
Ядовитые лягушки, как эта, получают свои токсины от животных, входящих в их рацион. Чтобы выяснить, как лягушки переносят яды из кишечника в кожу, ученые занялись молекулярной рыбалкой, чтобы увидеть, что связывается с токсином.CREDIT: TIMO VOLZ / UNSPLASHАльварес-Буйла ожидала, что на ее крючок попадутся белки, похожие на саксифилин, который, как считается, играет роль в транспортировке токсинов у лягушек, или другие белки, транспортирующие витамины (витамины, как и токсины, обычно забираются из рациона и затем перемещаются по организму). Вместо этого она и ее коллеги-исследователи обнаружили новый белок, похожий на человеческий белок, который переносит гормон кортизол. Этот новый транспортер, как они обнаружили, может связываться с несколькими различными токсичными алкалоидами, обнаруженными у разных видов ядовитых лягушек. Сходство предполагает, что лягушки позаимствовали систему переноса гормонов для переноса токсинов, говорит Лорен О'Коннелл, советник Альварес-Буиллы по докторской диссертации в Стэнфорде и соавтор работы, которая еще не прошла официальную рецензию.
Это может объяснить, почему лягушки не отравились токсинами, говорит О'Коннелл. Гормоны часто становятся активными только тогда, когда фермент расщепляет их носитель, высвобождая гормон в кровь. Точно так же новый белок может связываться с пумилиотоксином и другими токсинами и не давать им вступать в контакт с частями нервной системы лягушки, где они могут причинить вред. Только когда токсины достигают нужного места в коже лягушки, белок, переносящий токсины, высвобождает их в кожные железы, где они могут безопасно храниться.
В дальнейшей работе ученые намерены понять, как именно новый белок может связываться с несколькими различными типами токсинов. Другие известные токсин-связывающие белки, такие как саксифилин, обычно прочно связываются только с одним токсином. "Особенность этого белка в том, что он немного беспорядочен в том, с кем он связывается, но при этом обладает некоторой избирательностью", - говорит О'Коннелл. "Как это работает?"
Превращение токсинов
Если ядовитые лягушки, безусловно, получают свои токсины из пищи, которую они едят, то источник токсинов, используемых другими ядовитыми амфибиями, не всегда ясен. Оказывается, такие земноводные, как жабы, могут сами изготавливать свои яды.
Чтобы показать это, Ти Джей Фирнено, эволюционный биолог из Денверского университета, и его коллеги вручную опорожнили токсинные железы 10 видов жаб, выдавив их ("Это похоже на выдавливание прыща", - говорит Фирнено, и безвредно для жаб), а затем посмотрели, какие гены были наиболее активны в этих железах 48 часов спустя. Гипотеза, говорит Фирнено, заключалась в том, что гены, особенно активные после опорожнения желез, могут быть вовлечены в синтез токсинов.
Фирнено и его коллеги выявили несколько активированных генов, которые, как известно, являются частью метаболических путей для создания молекул, связанных с токсинами у растений и насекомых. По словам Фирнено, выявленные ими гены могут помочь направить ученых в правильном направлении для дальнейших исследований того, как жабы могут производить свои токсины.
Другие земноводные могут получать свои токсины от симбиотических бактерий. В США тритоны рода Taricha являются одними из самых токсичных животных в стране. Хотя они выглядят безобидно, отдельные тритоны из некоторых популяций этих древних существ содержат достаточно тетродотоксина, чтобы убить множество людей. Многие ученые считали, что тритоны сами вырабатывают токсин. Но когда группа исследователей собрала бактерии с кожи тритонов, а затем культивировала отдельные штаммы микроорганизмов, они обнаружили на коже амфибий четыре вида бактерий, вырабатывающих тетродотоксин. Это сходно с другими видами, содержащими тетродотоксин, такими как крабы и морские ежи, где ученые согласны с тем, что источником токсина являются бактерии.
Тритоны из рода Taricha, как этот, являются одними из самых ядовитых животных Америки. Ученые до сих пор не уверены, производят ли тритоны смертельный тетродотоксин сами или получают его от бактерий, живущих на их коже.CREDIT: GEOFFREY GILLERПроисхождение токсина у этих тритонов имеет более широкое значение, поскольку они - и питающиеся ими подвязочные змеи - являются плакатными животными для того, что считается классическим примером коэволюции. Способность змей поедать высокотоксичных тритонов свидетельствует о том, что они коэволюционировали с тритонами, приобретая устойчивость, чтобы продолжать их поедать, считают некоторые ученые. Между тем, тритоны, по идее, развивали все более высокую токсичность, пытаясь удержать змей на расстоянии. Ученые называют такую эскалацию конкуренции эволюционной гонкой вооружений.
Но чтобы тритоны могли участвовать в такой гонке вооружений, они должны генетически контролировать количество вырабатываемого ими токсина, чтобы мог действовать естественный отбор, говорит Гэри Буччиарелли, эколог и эволюционный биолог из Калифорнийского университета в Дэвисе, соавтор переоценки идеи гонки вооружений, опубликованной в 2022 году в Ежегодном обзоре биологических наук о животных. Если тетродотоксин действительно происходит из бактерий на коже тритонов, то сложнее понять, как тритоны могут повысить токсичность. По словам Буччиарелли, тритоны могли бы заставить бактерии вырабатывать больше тетродотоксина, но нет никаких доказательств того, что это происходит. "Это, конечно, не очень тесно связанные, антагонистические отношения между тритонами и подвязочными змеями", - говорит он.
Действительно, в тех местах, где Буччиарелли работает в Калифорнии, он ни разу не видел, чтобы подвязочная змея съела тритона. "Если следовать литературе, то можно подумать, что змеи просто срывают тритонов, как сумасшедшие, на берегу ручья или пруда. Но этого не видно", - говорит он. Вместо этого, по его словам, устойчивость змей к тетродотоксину могла возникнуть по какой-то другой причине или даже по эволюционной случайности.
Однако источник токсинов тритонов далеко не установлен. "Если у вас на коже живут бактерии, которые что-то делают, это еще не значит, что это источник у тритонов", - говорит биолог Эдмунд Броди III, который был среди ученых, впервые выдвинувших гипотезу о гонке вооружений между змеями и тритонами более 30 лет назад. Броди отмечает, что другие исследователи обнаружили, что тритоны содержат молекулы, которые, судя по их структуре, могут быть частью биологического пути, позволяющего тритонам синтезировать собственный тетродотоксин. Тем не менее, Броди говорит, что исследование, показывающее, что бактерии, найденные на тритонах, могут производить тетродотоксин, "это лучшее, что у нас есть на данный момент".
Интуиция Броди подсказывает, что так или иначе тритоны контролируют выработку тетродотоксина, производя его сами или каким-то образом манипулируя бактериями. Присутствие бактерий в качестве третьего игрока в войне тритона и змеи просто сделает эту систему еще более интересной, говорит он.
Бактериальные сообщества на коже и в железах тритонов Taricha. Некоторые из этих бактерий, как показали исследователи, способны вырабатывать тетродотоксин. Это позволяет предположить, но еще не доказывает, что тритоны могут получать свои токсины от кожных бактерий.Одним из основных препятствий для определения того, могут ли тритоны самостоятельно производить тетродотоксин, является то, что полный геном тритонов Taricha не был опубликован. "У них один из самых больших геномов среди всех известных нам животных, - говорит Броди.
Изучение способов адаптации и использования токсинов ядовитыми животными, как и многие другие фундаментальные научные исследования, представляет интерес для исследователей, стремящихся понять окружающий нас мир. Но поскольку изменение климата и разрушение среды обитания способствуют продолжающейся потере биоразнообразия, которая особенно сильно ударила по амфибиям, мы теряем виды, которые не только имеют внутреннее значение как уникальные организмы, но и являются источниками потенциально жизненно важных и улучшающих жизнь лекарств, говорит Тарвин.
Например, эпибатидин, тетродотоксин и родственные соединения были исследованы как потенциальные неопиоидные болеутоляющие средства при введении в крошечных, контролируемых дозах.
"Мы теряем эти химические вещества", - говорит Тарвин. "Их можно назвать химическим разнообразием, находящимся под угрозой исчезновения".