吃毒不死的动物
三条纹毒镖蛙 Ameerega trivittata 的皮肤含有多种致命毒素，会干扰关键细胞蛋白的功能。这对任何潜在的捕食者来说都是一个挑战。图片：HIRAMPEREIRA / iNATURALIST / CC BY-NC 4.0
（蜘蛛网eeook.com）据Knowable 杂志（卡塔琳娜·季默）：这10条蛇面临着艰难的困境。
它们从哥伦比亚亚马逊地区采集，在圈养中已经好几天没有食物了，然后看到了极其令人倒胃口的猎物：三条纹毒镖蛙，Ameerega trivittata。这些青蛙的皮肤含有致命的毒素，如组毒素、布霉毒素和十氢喹啉，会干扰必需的细胞蛋白。
六条皇家地蜥蛇（Erythrolamprus reginae）更喜欢挨饿。其他四只勇敢地溜进去杀戮。但在吞下食物之前，它们会拖着青蛙在地上——类似于一些鸟类从猎物身上擦掉毒素的方式，加州大学伯克利分校的著名生物学家瓦莱里娅·拉米雷斯·卡斯塔涅达 （Valeria Ramírez Castañeda） 和她的同事进行了这项实验。
四条蛇中有三条在这顿饭中幸存下来——这表明它们的身体有能力处理残留的毒素。
数亿年来，生物一直在挥舞着致命的分子互相残杀。首先是微生物，它们使用这些化学物质来清除竞争对手或攻击它们正在入侵的宿主细胞;然后是动物，杀死猎物或抵御捕食者，植物，抵御食草动物。作为回应，许多动物已经进化出在这些毒素中生存的方法。他们有时甚至会储存它们以对付对手。
科学家们开始解开这些创造性的抗毒素防御措施，并希望因此找到更好的治疗方法来治疗人类中毒。加州大学伯克利分校的进化生物学家丽贝卡·塔文 （Rebecca Tarvin） 说，更根本的是，他们正在了解一种悄悄帮助塑造生物群落的力量，她帮助监督了蛇的实验，并在 2023 年生态学、进化和系统学年度评论中撰写了有关此类策略的文章。
“只需几毫克的单一化合物，就可以改变生态系统中的所有相互作用，”塔文说。
生物战
物种以多种方式变得有毒。其中一些会自己制造毒素：例如，蟾蜍会产生称为强心苷的分子，这些分子可以阻止一种称为钠钾泵的蛋白质将离子分流进出细胞。这种分流对于维持细胞体积、收缩肌肉和传递神经冲动至关重要。
其他动物体内含有产生毒素的细菌——河豚就是这种情况，其含有河豚毒素的肉被证明是致命的。
还有许多其他人通过食物获取毒素——例如毒蛙，它们吞噬含毒素的昆虫和螨虫;这些青蛙包括喂给地蛇的物种。
随着一些动物进化成有毒的动物，它们也重新连接了身体以避免中毒。同样的事情也发生在他们吃的或吃他们的生物身上。这些适应中最好的研究涉及改变通常被毒素禁用的蛋白质，因此它们现在具有抗药性。例如，以富含糖苷的马利筋植物为食的昆虫已经进化出糖苷无法结合的钠钾泵。
但改变一个重要的分子会给生物带来并发症，德国汉堡大学的分子生物学家苏珊娜·多布勒说。在她对以马利筋种子为食的大型马利筋虫的研究中，她发现泵的抗糖苷性越强，效率就越低。这是神经细胞中的一个问题，泵尤为关键。
该错误似乎已经进化出解决了这个问题的方法。在 2023 年的一项研究中，Dobler 及其同事研究了该生物制造的三个版本的泵的抗毒素性。他们了解到，大脑中功能最强大的大脑也是对毒素最敏感的大脑。多布勒说，马利筋虫一定进化出其他方法来保护大脑免受糖苷的侵害。
Dobler 怀疑与称为 ABCB 转运蛋白的蛋白质有关：这些蛋白质位于细胞膜中，将废物和其他不需要的产物分流出细胞。她发现某些鹰蛾使用位于其神经组织周围的 ABCB 转运蛋白将强心苷从细胞中穿梭出来。也许马利筋虫也在做类似的事情。
多布勒还在检验一种假设，即许多昆虫的肠膜中都有 ABCB 转运蛋白，从一开始就阻止有毒物质进入人体。这可以解释为什么以富含糖苷的铃兰为食的鲜红色洋葱甲虫似乎不受毒素的影响，只是将它们排出体外。由此产生的粪便具有驱除掠食性蚂蚁的好处，Dobler 在 2023 年报道。
对于皇家地蛇来说，肝脏似乎是关键。从细胞培养实验中，塔文的团队有证据表明，蛇肝提取物中的某些物质可以防止三条纹毒镖蛙的毒素。该团队假设，这些蛇含有将致命物质转化为无毒形式的酶，就像人体对酒精和尼古丁所做的那样。蛇肝还可能含有粘附在毒素上的蛋白质，使它们无法与目标结合——像海绵一样将它们擦干净。科学家们在一些毒蛙的血液中发现了这种“毒素海绵”蛋白，使它们能够抵抗从饮食中获取的致命石房蛤毒素和生物碱毒素。
加州地松鼠似乎使用类似的技巧来抵御响尾蛇毒液，响尾蛇毒液是一种由数十种毒素组成的混合物，可以破坏血管壁、防止血液凝固等。地松鼠的血液含有阻断其中一些毒素的蛋白质——就像响尾蛇在毒液逃逸其特殊毒腺时用自己来保护的蛋白质一样。蛇的毒液成分因蛇种群而异，密歇根大学的进化生物学家马修·霍尔丁有证据表明，地松鼠的抗蛇毒血清混合物是为匹配当地蛇而量身定制的。
这种防御措施并不是万无一失的。霍尔丁说，响尾蛇不断进化出新的毒液来克服松鼠的防御，如果注射足够的自身毒液，即使是响尾蛇也会死亡。
这就是为什么动物，即使是有抵抗力的动物，也会尝试作为防御的第一步，避免毒素。因此，地蛇的拖拽行为，以及一些海龟只吃有毒蝾螈的腹部皮肤和内脏，而不吃致命的背部皮肤的做法。即使是像帝王毛毛虫这样对强心苷有抗性的昆虫，也会在马利筋植物的叶脉上划伤，以排出有毒液体，然后再塞进植物中。
吸收毒素
许多动物还想方设法安全地储存它们消耗的有毒化学物质并将其用于自己的目的。例如，彩虹色的狗祸甲虫从其寄主植物中获取强心苷，然后——可能通过 ABCB 转运蛋白——将它们穿梭到它的背上进行自卫。“当你以某种方式惹恼这些甲虫时，你可以看到它们的鞘翅（背表面）上出现小水滴，”多布勒说。
通过这种毒药吸收，一些昆虫开始依赖寄主植物生存。帝王蝶和马利筋植物之间的关系就是一个典型的例子，也是这种相互交织的联系可能具有广泛影响的典型例子。在 2021 年的一项研究中，加州大学伯克利分校的进化生物学家和遗传学家诺亚·怀特曼 （Noah Whiteman） 和他的同事确定了四种动物，它们已经进化到可以耐受强心苷，使它们能够以帝王蝶为食。一种是黑头罗喙鸟，这种鸟在墨西哥山顶冷杉林中以帝王蝶为食，蝴蝶在那里向南飞越冬。
想想看，怀特曼说：一种在安大略省大草原上的马利筋植物中组装的毒素帮助塑造了鸟类的生物学，使其可以在数千英里外的森林中安全地进食。“这真是太神奇了，”他说——“这个小分子所走过的旅程，以及它对进化的影响。
本文最初发表于 Knowable 杂志，这是一份致力于让所有人都能获得科学知识的非营利性出版物。
