Когда змея обнажает клыки, она демонстрирует одно из величайших орудий эволюции. Дело в том, что змеиный яд — это не какой-то один токсин, а бурлящий коктейль из десятков, а то и сотен стремительно эволюционирующих белков. В отличие от оружия большинства животных — когтей, рогов или зубов, — змеиный яд находится в состоянии вечной гонки с защитными системами жертв.
Змеи совершенствуют свой яд, а грызуны и амфибии совершенствуют устойчивость к нему. В этой войне нет победителей, но никто не может позволить себе отстать, пишет Forbes. Как же это работает с точки зрения эволюционной биологии?
Змеи бегут наперегонки с Красной Королевой
Эволюционные биологи называют эту "гонку вооружений" эффектом Красной Королевы (или гипотезой Черной Королевы): идея заключается в том, что хищники и жертвы должны постоянно эволюционировать просто для того, чтобы сохранять статус-кво.
Как резюмирует исследование 2022 года в журнале Biological Theory, гипотезу Красной Королевы сформулировал Ли Ван Вален в 1973 году. В целом, гипотеза утверждает, что виды должны постоянно адаптироваться, поскольку их партнеры по взаимодействию также эволюционируют в то же самое время.
В ядовитых системах этот взаимный отбор жесток и мгновенен. Это означает, что даже малейшее изменение в физиологии жертвы может сделать токсин змеи практически бесполезным. Однако это также вознаграждает любую линию змей, у которой появляется мутация, изменяющая структуру или экспрессию токсина. И за несколько поколений эти изменения приводят к огромному разнообразию компонентов яда.
Название теории восходит к книге Льюиса Кэрролла "Алиса в Зазеркалье", где Черная (в английском тексте — Красная) Королева говорит Алисе: "Нужно бежать со всех ног, чтобы только оставаться на месте".
Понятно, почему эволюционные биологи позаимствовали эту метафору, учитывая, насколько точно она передает суть коэволюции хищника и жертвы.
Сравнительное исследование протеомов яда и семейств генов токсинов, опубликованное в Trends in Ecology & Evolution, показывает, что змеиный яд проходит повторяющиеся циклы рекрутирования, дупликации и быстрой диверсификации генов токсинов.
Проще говоря, гены змеиного яда многократно копируются, а затем модифицируются. Некоторые копии специализируются на конкретных задачах, другие отбрасываются. Конечным результатом этого процесса является изменчивый коктейль, настроенный на местное сообщество жертв, часто на уровне конкретной популяции. Это именно тот точный молекулярный механизм, который стоит ожидать в условиях сильной, непрерывной коэволюции.
Однако эти изменения не являются односторонними. Некоторые из наиболее изученных примеров такого паттерна коэволюции "хищник-жертва" получены из исследований, показывающих, как сами змеи могут вырабатывать устойчивость к токсинам своей ядовитой добычи.
Например, классическое исследование 1990 года, опубликованное в Evolution, посвященное подвязочным змеям (Thamnophis sirtalis) и ядовитым тритонам (Taricha granulosa), дает один из самых наглядных реальных примеров коэволюции токсической резистентности.
В регионах, где тритоны переполнены невероятно ядовитым тетродотоксином (ТТХ), у подвязочных змей развились мутации, притупляющие действие ТТХ. А в регионах, где тритоны менее токсичны, змеи утрачивают эту устойчивость. Эта "лоскутная картина" показывает, как эволюция часто отражает локально меняющееся давление отбора. Это также демонстрирует, как защита жертвы и контрмеры хищника могут обгонять друг друга в разных местах.
Это биохимическое перетягивание каната, которому миллионы лет, и оно происходит быстрее, чем почти любая другая динамика "хищник-жертва" на планете. И вот почему:
1. Змеи генетически созданы для скорости
Эволюция яда не ограничена медленными структурными изменениями, как, например, эволюция костей или мышц; его биохимическая природа имеет решающее значение. В частности, гены яда необычайно склонны к дупликации. Это означает, что змеи могут по сути "копировать и вставлять" существующие гены и экспериментировать с новыми версиями без риска потери оригинала.
Как объясняется в исследовании 2014 года, опубликованном в Genome Biology and Evolution, системы змеиного яда развивались посредством повторяющихся событий дупликации генов и их рекрутирования. Обычные физиологические гены были перепрофилированы в токсины, а затем быстро диверсифицировались под действием естественного отбора.
Будучи продублированными, эти гены накапливают мутации с чрезвычайно высокой скоростью, что приводит к появлению новых вариантов яда в относительно короткие эволюционные сроки. Заметьте, однако, что эти змеи не изобретают колесо заново; они массово производят колеса и испытывают их на прочность в режиме реального времени.
2. Когда жертва дает сдачи, эволюция змеи ускоряется
Змеи, специализирующиеся на узком наборе жертв, сталкиваются с очень интенсивным эволюционным давлением. Если у этой добычи развивается хоть какая-то устойчивость — будь то более эффективные пути свертывания крови, измененные нервные рецепторы или механизмы детоксикации — яд змеи немедленно становится менее эффективным.
Это, в свою очередь, значительно затрудняет покорение добычи, что означает большие проблемы с пропитанием. А в животном мире пропущенный обед часто означает смерть.
Кроме того, жертвы могут использовать широкий спектр стратегий, чтобы не отставать в гонке с Красной Королевой, например:
- Механизмы поведенческого избегания.
- Эндогенные факторы, подобные противоядию, включая малые пептиды и сывороточные факторы, нейтрализующие активность яда.
- Мутации в местах-мишенях рецепторов, которые снижают связывание или воздействие определенных токсинов.
- Морфологические и биомеханические особенности, снижающие эффективность яда за счет ограничения проникновения, замедления распространения токсина, изменения соотношения дозы к массе или ограничения быстрого системного распространения через ткани и сосудистую архитектуру.
Каждый из этих различных защитных механизмов накладывает свой собственный фильтр отбора на состав яда. И поскольку многие виды жертв сами по себе многочисленны, живут недолго и генетически вариативны, их эволюционные реакции могут быть быстрыми.
Поэтому, когда жертва эволюционирует, чтобы противостоять яду, у змей нет иного выбора, кроме как адаптироваться в ответ.
Почему эволюция змеиного яда имеет значение
Понимание этой сверхбыстрой эволюции имеет несколько практических последствий, наиболее очевидное из которых касается противоядий. Противоядия до сих пор производятся путем иммунизации животных ядом. Поэтому, если состав яда начнет различаться в зависимости от популяции или изменится с течением времени, противоядие, созданное против одной "версии", скорее всего, будет менее эффективным против другой.
В этом смысле знания об этих быстро меняющихся токсинах будут способствовать прогрессу в следующих областях:
- Разработка противоядий нового поколения, основанная на понимании эволюции яда и разнообразия токсинов.
- Поиск лекарств и рациональный терапевтический дизайн, включая высокоспецифичные антикоагулянты, анальгетики, антигипертензивные препараты и модуляторы ионных каналов, полученные из пептидов яда.
- Точное нацеливание на рецепторы и ферменты с использованием компонентов яда в качестве молекулярных зондов для изучения сигнальных путей, каскадов коагуляции и нервно-мышечной передачи.
- Терапия рака, аутоиммунных заболеваний и боли с использованием молекул, полученных из яда, которые модулируют клеточную адгезию, нервные каналы, ангиогенез, апоптоз и иммунную сигнализацию.
Что делает эту эволюционную гонку вооружений столь примечательной, так это скорость, с которой она происходит. Змеиный яд может существенно измениться за удивительно короткие эволюционные окна; для герпетологов это означает, что земля постоянно уходит из-под ног.
Профили ядов, составленные несколько десятилетий назад, могут быть уже устаревшими, а защита жертв могла уйти вперед. Эта молекулярная битва продолжается независимо от того, наблюдаем мы за ней или нет.
Другие интересные новости о дикой природе
Ранее УНИАН сообщал, почему у диких животных не бывает висячих ушей. Наиболее очевидное сравнение — между волками и собаками. Но дело не только в ушах, одомашненные животные имеют много отличий от своих диких предков.
Кроме того, мы также рассказывали про животное, которое может "стрелять" ядом с невероятной точностью. Они представляют двойную угрозу. Их укусы могут нанести серьезные травмы или привести к смерти, но это не единственное их оружие.
