10 Minutės
Spleičiantis Amazonės džiunglių ir kitų sudėtingų ekosistemų audinyje, gyvūnai dalyvauja biocheminiame ginklų varžymesi. Plėšrūnai, grobis ir parazitai gamina, kaupia arba aplenkia mirtinas molekules — ir dažnai išradingas elgesys, o ne vien molekuliniai triukai, lemia, kas išlieka gyvas. Nauji eksperimentai su karališkomis žemės gyvatėmis ir nuodingosiomis roplėmis atveria aiškų vaizdą apie tai, kaip gyvūnai valdosi, neutralizuoja ar net pernaudoja toksines medžiagas laukinėje gamtoje, suteikiant įžvalgų apie detoksikaciją, evoliucinę rezistenciją ir bioakumuliaciją.
When snakes “wipe” toxins off their prey
Tyrėjai, dirbę su Kolumbijos Amazonėje surinktomis gyvatėmis, užfiksavo netikėtą elgseną: kai kurios karališkos žemės gyvatės (Erythrolamprus reginae) prieš suėdant trynė labai nuodingas trijų dryžių nuodingąsias varles (Ameerega trivittata) per žemę. Kontroliuotame tyrime 10 badavusių gyvačių pasiūlyta valgyti šias varles: šešios atsisakė ir išalko, o ne rizikavo apsinuodijimu; keturios užpuolė — trys iš jų išgyveno, nes pirmiausia nutempė varlę per substratą.
Toks trynimo veiksmas primena elgesį, užfiksuotą ir kitose rūšyse — ypač paukščiuose, kurie trina nuodingą grobį apie šakas ar akmenis, kad nuvalytų paviršinius toksiškumus. Gyvačių išgyvenimas rodo, kad mechaninis nuodų sluoksnio sumažinimas, kartu su vidinėmis detoksikacijos strategijomis, gali sumažinti eksponavimą toksinams tiek, kad jų fiziologija suspėja susidoroti. Be to, šis elgesys pabrėžia, jog elgesio taktikos (tokios kaip mechaninis „valymas“) yra svarbi detoksikacijos dalis, papildanti biochemines gynybas.
How animals become poisonous — and how others resist
Toksinų atsiradimas ekologijoje vyksta keliais keliais. Kai kurios rūšys sintetina toksiškas medžiagas patys. Pavyzdžiui, rupūžės iš bufonidų šeimos gamina širdies glikozidus, kurie taikosi į natris-kalio ATPazę — gyvybiškai svarbų baltymą, palaikantį jonų gradientus per ląstelių membranas, reikalingus nerviniams impulsams ir raumenų susitraukimams. Kiti organizmai įgyja toksinus netiesiogiai: šukutės, puffer žuvys, turi tetrodotoksiną gaminančius mikrobus, todėl jų mėsa tampa pavojinga tiek plėšrūnams, tiek žmonėms. Trečias kelias yra mitybinis įgijimas: daugelis nuodingųjų varliagyvių koncentruoja alkaloidus iš voragyvių ir kitų bestuburių, kuriuos jos suėda; šios alkaloidinės medžiagos tada per ryškią spalvą signalizuoja pavojų (aposematika).
Natūrali atranka palankiai veikia individams, kurie gali išvengti mirties nuo tokių junginių. Vienas dažnas sprendimas — taikinių vietos rezistencija (target-site resistance): toksino molekulinis taikinys evoliucionuoja amino rūgščių pokyčius, kurie mažina toksino prisijungimą. Pavyzdžiui, vabzdžiai, besimaitinantys pienžolėmis (milkweed), turi pakeistas natris-kalio pompų versijas, todėl širdies glikozidai prisijungia mažiau efektyviai. Tačiau tokios adaptacijos dažnai turi kompromisų: modifikuojant baltymus, esminius ląstelių fiziologijai, gali sumažėti jų funkcionalumas, ypač jautriose audinių zonose, tokiose kaip smegenys.
Transporters, tissues and trade-offs
Molekuliniai tyrimai su pienžolių kandimis (milkweed bugs) ir rugio sfinkseriais (hawk moths) rodo alternatyvias strategijas, leidžiančias išvengti gyvybiškai svarbių baltymų kompromisų. ATP susiejimo kasetės (ATP-binding cassette, ABC) šeimos baltymai — ypač ABCB transporterių pogrupis — gali veikti kaip molekuliniai sargas, išpumpuojantys toksinus iš ląstelių. Kai kuriuose vabzdžiuose ABCB proteinai koncentruojasi aplink nervinį audinį, efektyviai apsaugodami smegenis, tuo tarpu kiti audiniai toleruoja skirtingas pumpų atmainas. Kitos rūšys laikosi strategijos, kai toksinai lieka confinirani (sutelkti) žarnyne ir greitai pašalinami — taip jų išmatos ar kutikula tampa nepatrauklios plėšrūnams, tuo pačiu nesutrikdant pačios rūšies fiziologijos.
Paprasta išvada: rezistencija dažnai yra daugiasluoksnė gynybos sistema, apimanti pakeistus taikinius, audiniškai selektyvų genų ekspresiją ir aktyvius transporto mechanizmus, nukreipiančius toksinus nuo jautrių audinių. Tokios molekulinės adaptacijos — ABC transporteriai, fermentai, sulaikantys baltymai — veikia kartu su elgesio sprendimais ir ekologiniais kontekstais, todėl supratimas apie jas reikalauja tarpdisciplininių tyrimų krypties: genomikos, proteomikos ir ekologijos sintezės.
Snake livers, toxin sponges and blood-based defenses
Karališkos žemės gyvatės (Erythrolamprus reginae) atveju ląstelių kultūros eksperimentai nurodo kepenis kaip svarbią kovos zoną. Gyvačių kepenų ekstraktai in vitro, atrodo, neutralizuoja varliagyvių alkaloidus, kas leidžia manyti, jog kepenų fermentai atlieka enzimines transformacijas, paverčiančias toksiškas molekules į mažiau pavojingus metabolitus — panašiai kaip žmonės metabolizuoja alkoholį ar nikotiną. Kita galima mechanika — sekvestracija arba sulaikymas: kepenų baltymai gali prisijungti ir „sugerti" toksinus, veikdami kaip molekulinės kempinės, neleidžiančios toksinams pasiekti jų fiziologinių tikslinių vietų.
Panašios „kempinėlės" strategijos aprašytos ir kitose gyvūnų grupėse. Kai kurios nuodingos varlės turi kraujo baltymų, kurie jungiasi prie mitybinių alkaloidų, pavyzdžiui saxitoksino tipo molekulių, paverčiant jas viduje beveik nekenksmingomis, tačiau jas galima panaudoti kaip išorinę gynybą. Kalifornijos žemės šerpetos (California ground squirrels) demonstruoja panašų modelį: tam tikrose populiacijose kraujo baltymai neutralizuoja ryklių nuodų (rattlesnake) svarbias sudėtines dalis, suteikdami dalinį imunitetą ir laiko išsigelbėjimui susidūrus su plėšrūnu.
Tokios kraujinės gynybos dažnai turi lokalų parašą. Nuodų sudėtis kinta tarp gyvačių populiacijų, o įrodymai rodo, jog grobio populiacijos gali evoliucionuoti atitinkančius antitoksinus, pritaikytus geografiniams nuodams, su kuriais jos dažniausiai susiduria. Toks lokalizuotas koevoliucinis procesas skatina nuolatinę naujovių grandinę abiejose pusėse — nauji nuodų komponentai atrenka už naujas gynybas, ir atvirkščiai. Šios dinamika formuoja ekologines sąveikas, įtakojančias vietinę biologinę įvairovę ir ilgalaikes evoliucines trajektorijas.
Co-opting toxins: turning poison into armor
Be pasipriešinimo, daug rūšių išmoko pernaudoti toksinus kaip įrankius. Kai kurie vabzdžiai inkorporuoja augalinius širdies glikozidus ir kaupia juos ant svogūnėlio ar eksoskeletų arba laikydami gynybiniuose liaukose. Blizgusis dogbane vabalas, pavyzdžiui, išskiria širdies glikozidus iš savo šeimininkinių augalų ir esant grėsmei išskiria lašelius ant nugarinės dalies, todėl vabalas tampa neskania atbaidydamas plėšrūnus.
Ikoniškas pavyzdys yra monarchų drugeliai (Danaus plexippus), kurie į savo audinius inkorporuoja pienžolių (milkweed) glikozidus. Ši sekvestracija suteikia apsaugą ir sukelia ekologines bangas: plėšrūnai, galintys toleruoti arba detoksifikuoti šias junginių — pavyzdžiui, keli specializuoti paukščiai ir vabzdžiai — išnaudoja monarchus ar pienžolių vartotojus kaip maistą. Tyrimai atseka netikėtas evoliucines jungtis: molekulė, pagaminta augale viename regione, gali formuoti plėšrūnų ir grobio sąveikas tūkstančius mylių nutolusiose vietose, keliaudama per maisto tinklus tarp rūšių.
Didysis pienžolių vabalas maitinasi ir gyvena ant augalų, kuriuose yra mirtinų širdies glikozidų. (Rhododendrites/Wikimedia Commons/CC-BY-SA 4.0)
Why the arms race matters for ecosystems and medicine
Šios biocheminės kautynės veikia rūšių išsidėstymą, bendruomenės struktūrą ir maisto tinklų dinamiką. Keli miligramai alkaloido gali pakeisti plėšrūnų maisto pasirinkimus, reprodukcijos rezultatus ar net migracijos maršrutus. Žmogišku požiūriu, natūralių detoksikacijos strategijų tyrimas turi praktinę vertę: fermentai ar rišančios baltys, galinčios neutralizuoti toksinus, gali įkvėpti geresnius antitoksinus, mažos molekulinės antidotus arba skubios pagalbos gydymo priemones apsinuodijimo atvejais.
Tyrėjai jau verčia gamtos įžvalgas į biomedicinos idėjas. Baltymai, kurie riša saxitoksino tipo molekules, suteikia užuominą apie biologinius antidotus. Taip pat supratimas, kaip ABC transporteriai perneša pavojingus junginius per membranas, gali nukreipti vaistų pristatymo technologijas arba kurti naujus būdus, kaip blokuoti kenksmingų molekulių patekimą į jautrius audinius. Tokios žinios taip pat gali pagerinti antivenomų dizainą, sutrumpinti klinikines intervencijas ir pasiūlyti biologiškai pagrįstas priemones apsinuodijimų gydymui.
Behavioral first lines of defense
Biochemija yra tik pusė istorijos. Daugelis gyvūnų naudoja paprastas elgesio taktikas, kad sumažintų toksinų vartojimą: vėžliai selektyviai ėda nuodingų tritonų vidurius, vengdami labiau toksiškos nugarinės odos; monarchų plėšrūnai gali taikytis į mažiau toksiškus vystymosi etapus; vikšrai pažeidžia augalų kraujotaką, kad prieš valgymą nutekėtų sultys. Karališkųjų žemės gyvačių nutempimo elgesys tikriausiai priklauso šioms pirmosioms linijoms gynyboje: mechaninis pašalinimas sumažina pradines toksino dozes, o vidinės detoksikacijos mechanizmai pabaigia likusių šlakų neutralizavimą.
Visos šios sluoksniuotos strategijos — vengimas, elgesio mitigacija, molekuliniai transporteriai, fermentinė detoksikacija ir sekvestracija — kartu sukuria sudėtingą adaptacijų audinį, leidžiantį gyvybei egzistuoti cheminių pavojų apsuptyje. Tokie kompleksiniai sprendimai atspindi evoliucijos ekonomiką: rūšys reaguoja į selekcines jėgas ne vien tuo, kad pakeičia vieną geną, bet suderina elgesį, audinių lygmens genų išraišką ir molekulinius mechanizmus.
Expert Insight
Dr. Elena Márquez, hipotetinė evoliucinės toksikologijos specialistė Integruotosios biologijos institute, pažymi, kad įdomiausia evoliucijoje yra sprendimų ekonomija. Ji pabrėžia: dauguma rūšių nesiremia vienu triuku. Jos kombinuoja elgesį, audiniams būdingą biochemiją ir molekulinius transporterius, kad valdyti junginius, kurie nužudytų daugelį organizmų. Tokių sąveikų deriniai kuria prognozuojamus signalus, kuriuos mokslininkai gali tirti ir galbūt panaudoti medicinai.
Dr. Márquez priduria, kad taikomojoje srityje kepenų fermentų arba kraujo baltymų identifikavimas, neutralizuojančių toksinus, galėtų pakeisti gydymo strategijas nuo įkandimų ir apsinuodijimų. Gamta jau vykdė milijonus eksperimentų; mūsų užduotis — iššifruoti jų rezultatus, pasirenkant perspektyvius molekulinius kandidatų kelius ir biomedicinos pritaikymus.
Future directions: mapping the molecular chessboard
Ateityje tyrėjai planuoja žemėlapiuose nustatyti, kur išreiškiami rezistencijos genai, charakterizuoti baltymus, kurie riša arba metabolizuoja toksinus, ir išbandyti, kaip elgesys prisideda prie išgyvenimo natūraliose sąlygose. Lyginamoji genomika gali atskleisti konvergencinės evoliucijos sprendimus — atvejus, kai nesusiję genealoginiai kamienai evoliucionavo panašius transporterus ar rišančius baltymus — o metabolomika parodys, kaip cheminiai toksinai yra transformuojami organizmo viduje.
Lauko darbai išlieka būtini. Laboratoriniai tyrimai leidžia numanyti mechanizmus, tačiau ekologinis validavimas — stebėti, kaip gyvūnai elgiasi aplink toksišką grobį, kaip plėšrūnai renkasi maistą ir kaip laukinės populiacijos toksinų lygiai kinta sezonais — suteikia kontekstą molekuliniams atradimams. Derinant natūralinę istoriją lauke su genomika, biochemija ir elgesio eksperimentais, greičiausias kelias prie supratimo, kaip organizmai valdo cheminę riziką, bus tarpdisciplininis.
Implications for conservation and human health
Toksinų lėmimo sąveikos turi ir apsaugos pasekmes. Specialistinės rūšys, priklausančios nuo toksiškų resursų — pvz., pienžolių specialistai — yra pažeidžiamos dėl buveinių netekimo ir pesticidų naudojimo. Tokių santykių sutrikdymas gali sukelti kaskadas, pakeisdamas plėšrūnų ir grobio dinamizmas bei pašalindamas ilgainiui susiformavusias gynybas, kurios galėtų būti mediciniškai vertingos. Saugojant buveines, kuriose vystėsi šios biocheminės sąsajos, mes saugome ne tik biologinę įvairovę, bet ir gyvą laboratoriją, kurioje sukauptos natūralios strategijos prieš chemines grėsmes.
Platesniame lygmenyje cheminė ginklų varžybų dinamika pabrėžia pagrindinį ekologijos principą: sąveikos yra svarbios. Maža molekulė, pagaminta augalo ar mikrobo, gali sukelti bangas per maisto tinklą ir formuoti evoliucines trajektorijas kontinentų mastu. Iššifruoti, kaip gyvūnai neutralizuoja, saugo ir paverčia nuodus gynyba, ne tik paaiškina išlikimo strategijas laukinėje gamtoje, bet ir suteikia šablonus naujoms terapijoms bei saugesnėms technologijoms.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą