چرا برخی از حیوانات می‌توانند سم بخورند و از مرگ فرار کنند

موجوداتی که گونه‌های حاوی سم‌های کشنده را می‌خورند، مجموعه‌ای از استراتژی‌های هوشمندانه برای بقا توسعه داده‌اند.

ده مار با موقعیتی دشوار مواجه شدند.

جمع‌آوری شده از جنگل بارانی کلمبیا، این مارها چندین روز در اسارت بدون غذا بودند و سپس با طعمه‌ای بسیار کم‌قابل‌هضم مواجه شدند: قورباغه‌های سمی سه‌راه‌دار Ameerega trivittata. پوست این قورباغه‌ها حاوی سم‌های کشنده‌ای همچون هیستریونیکوتوکسین‌ها، پومیلیوتوکسین‌ها و دکاهیدروکینولین‌ها است که بر پروتئین‌های اساسی سلولی تأثیر می‌گذارند.

شش تا از مارهای زمینی سلطنتی (Erythrolamprus reginae) ترجیح دادند گرسنه بمانند. چهار مار دیگر به‌جرأت به شکار رفتند. اما پیش از بلعیدن غذا، قورباغه‌ها را بر روی زمین کشیدند – مشابه کاری که برخی پرندگان برای حذف سم‌ها از طعمهٔ خود انجام می‌دهند، بیولوژیست والریا رامیرز کاستاندا از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و همکارانش که این آزمایش را اجرا کردند، اشاره کردند.

سه‌تا از چهار مار پس از غذا زنده ماندند – که نشان می‌دهد بدن آن‌ها قادر به مقابله با سم‌های باقی‌مانده بود.

موجودات زنده برای صدها میلیون سال از مولکول‌های کشنده برای کشتن یکدیگر استفاده می‌کردند. ابتدا میکروارگانیسم‌ها با به‌کارگیری این مواد شیمیایی رقبای خود را از بین می‌بردند یا به سلول‌های میزبان که به آن‌ها نفوذ کرده بودند، حمله می‌کردند؛ سپس جانوران برای شکار یا دفع شکارچیان، و گیاهان برای دفاع در برابر علف‌خواران، به این سم‌ها روی آوردند. در واکنش به این روند، بسیاری از جانوران روش‌هایی برای زنده ماندن در برابر این سم‌ها تکامل داده‌اند. گاهی حتی این سم‌ها را ذخیره می‌کنند تا در برابر رقبای خود به کار ببرند.

دانشمندان به‌تدریج این دفاع‌های خلاق ضدسم را کشف می‌کنند و به‌دنبال آن امیدوارند درمان‌های بهتری برای مسمومیت‌های انسانی پیدا کنند. در سطح بنیادی‌تر، آن‌ها درباره نیرویی که به‌صورت ساکت به شکل‌گیری جوامع زیستی کمک کرده است می‌آموزند، می‌گوید زیست‌شناس تکاملی ربکا تارویِن از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که در نظارت بر آزمایش مارها مشارکت داشت و درباره این استراتژی‌ها در مرور سالانهٔ ۲۰۲۳ اکولوژی، تکامل و نظام‌نامه‌نویسی نوشت.

«فقط میلی‌گرم‌هایی از یک ترکیب واحد می‌تواند تمام تعاملات یک اکوسیستم را تغییر دهد»، تارویِن می‌گوید.

جنگ زیستی

گونه‌ها به روش‌های مختلفی سم می‌شوند. برخی از آن‌ها خود سم‌ها را تولید می‌کنند: به‌عنوان مثال، وزغ‌های بوفونی مولکول‌هایی به نام گلیکوزیدهای قلبی تولید می‌کنند که از عملکرد پروتئین پمپ سدیم‑پتاسیم که یون‌ها را داخل و خارج سلول‌ها می‌پیماید، جلوگیری می‌کند. این جابه‌جایی برای حفظ حجم سلول، انقباض عضلات و انتقال سیگنال‌های عصبی بسیار حیاتی است.

حیوانات دیگری با حضور باکتری‌های تولیدکننده سم در بدنشان سم تولید می‌کنند؛ این مورد برای ماهی‌های پف (pufferfish) صادق است که گوشت آن حاوی تتروتوکسین است و می‌تواند به‌مرگ منجر شود.

همچنین بسیاری از آن‌ها سم‌های خود را از طریق غذا به‌دست می‌آورند؛ به عنوان مثال، قورباغه‌های سمی که حشرات و کنه‌های حاوی سم می‌خورند؛ این قورباغه‌ها شامل گونه‌ای هستند که به مارهای زمینی داده شد.

در همان‌زمان که برخی جانوران به سمّی شدن تکامل یافتند، بدنشان را به‌گونه‌ای بازآرایی کردند که از سم‌دار شدن خود جلوگیری کنند. همین‌طور این امر برای موجوداتی که آن‌ها می‌خورند یا آن‌ها را می‌خورند نیز رخ داد. مشهورترین نمونه‌های مطالعه شده این سازگاری‌ها شامل تغییرات در پروتئین‌هایی می‌شود که معمولاً توسط سم‌ها غیرفعال می‌شوند، به‌طوری که اکنون مقاوم شده‌اند. برای مثال، حشراتی که بر روی گیاهان شیرین‌پوش غنی از گلیکوزیدها رشد می‌کنند و تغذیه می‌کنند، پمپ‌های سدیم‑پتاسیم را توسعه داده‌اند که گلیکوزیدها به آن‌ها نمی‌چسبند.

اما تغییر یک مولکول اساسی می‌تواند مشکلاتی برای موجود به‌وجود آورد، می‌گوید زیست‌شناس مولکولی سوزان دوبلر از دانشگاه هامبورگ در آلمان. در مطالعات او با حشره بزرگ شیرین‌پوش که به دانه‌های شیرین‌پوش می‌خورد، متوجه شد که هر‌چه پمپ سدیم‑پتاسیم بیشتر به گلیکوزیدها مقاوم می‌شود، کارآیی آن کمتر می‌شود. این موضوع برای سلول‌های عصبی، که پمپ نقش حیاتی دارد، مشکل‌ساز است.

به‌نظر می‌رسد این حشره راهی برای دور زدن این مشکل پیدا کرده است. در مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۳، دوبلر و همکارانش مقاومت به سم‌ها را در میان سه نسخهٔ پمپ تولیدی این موجود بررسی کردند. آن‌ها دریافتند که نسخه‌ای که بیشترین کارایی را در مغز دارد، همچنین حساس‌ترین به سم‌هاست. بنابراین حشره شیرین‌پوش احتمالاً روش‌های دیگری برای حفاظت از مغز در برابر گلیکوزیدها تکامل داده است، می‌گوید دوبلر.

دوبلر گمان می‌کند که پروتئین‌های به نام انتقال‌دهنده‌های ABCB نقش دارند: این پروتئین‌ها در غشای سلولی قرار می‌گیرند و مواد زائد و سایر محصولات نامطلوب را از سلول‌ها خارج می‌کنند. او متوجه شده است که برخی از شپش‌های شاه‌پیک از پروتئین‌های انتقال‌دهنده ABCB که در اطراف بافت‌های عصبی آن‌ها قرار دارند، گلیکوزیدهای قلبی را از سلول‌ها خارج می‌کنند. شاید حشره شیرین‌پوش نیز به‌طور مشابه این کار را انجام دهد.

دوبلر همچنین فرضیه‌ای را در حال بررسی دارد که بسیاری از حشرات دارای انتقال‌دهنده‌های ABCB در غشاهای روده‌های خود هستند، به‌گونه‌ای که ورود مواد سمی به بدن را از ابتدا مسدود می‌کند. این می‌تواند توضیح دهد که چرا سوسک پیاز قرمز روشن، که بر روی گل سوسن غنی از گلیکوزید تغذیه می‌کند، به‌ظاهر از سم‌ها بی‌تاثیر می‌ماند و تنها آن‌ها را دفع می‌کند. فضولات حاصل به‌طور مؤثری آنت‌های شکارچی را از بین می‌برد، دوبلر در سال ۲۰۲۳ گزارش داد.

برای مارهای زمینی سلطنتی، به‌نظر می‌رسد کبد نقش کلیدی داشته باشد. از آزمایش‌های کشت سلولی، تیم تارویِن شواهدی دارد که ترکیبی در عصارهٔ کبد مارها به‌طور مؤثری در برابر سم‌های قورباغه سمی سه‌راه‌دار محافظت می‌کند. تیم فرض می‌کند مارها آنزیم‌هایی دارند که مواد سمی را به‌صورت غیرسمی تبدیل می‌کنند، همان‌گونه که بدن انسان الکل و نیکوتین را متابولیزه می‌کند. کبد مار ممکن است حاوی پروتئین‌هایی باشد که به سم‌ها چسبیده و آن‌ها را از اتصال به هدف‌هایشان باز می‌دارد – همانند اسفنجی که سم‌ها را جذب می‌کند. دانشمندان چنین پروتئین‌های «اسفنج سم» را در خون برخی قورباغه‌های سمی کشف کرده‌اند که به آن‌ها امکان مقاومت در برابر ساکسیتوکسین و سم‌های آلکالوئیدی کشنده‌ای که از رژیم غذایی خود دریافت می‌کنند، می‌دهد.

به‌نظر می‌رسد سنجاب‌های زمینی کالیفرنیا از ترفندی مشابه برای دفاع در برابر سم مار گوزن استفاده می‌کنند؛ این سم مخلوطی از ده‌ها ترکیب سمی است که دیواره‌های رگ‌های خونی را خراب می‌کند، انعقاد خون را مهار می‌کند و … . خون این سنجاب‌ها حاوی پروتئین‌هایی است که برخی از این سم‌ها را مسدود می‌کند – همان‌طور که مارهای گوزن برای محافظت در صورت نشت زهر از غدد خاص خود استفاده می‌کنند. ترکیب سم در جمعیت‌های مختلف مار متفاوت است و زیست‌شناس تکاملی مَتیو هولدینگ از دانشگاه میشیگان شواهدی دارد که ترکیب آنتی‌ونوم این سنجاب‌ها به‌گونه‌ای تنظیم شده است که با مارهای محلی هم‌ساز باشد.

این دفاع‌ها بی‌نقص نیستند. مارهای گوزن به‌طور پیوسته زهرهای جدیدی می‌سازند تا بر سازگاری‌های سنجاب‌ها غلبه کنند، هولدینگ می‌گوید، و حتی یک مار گوزن اگر با مقدار کافی از زهر خود تزریق شود، می‌میرد.

به همین دلیل است که حیوانات، حتی آن‌هایی که مقاوم هستند، ابتدا سعی می‌کنند از سم‌ها دوری کنند. به همین دلیل رفتار کشیدن قورباغه‌ها توسط مارهای زمینی دیده می‌شود، و برخی لاک‌پشت‌ها فقط پوست شکمی و اندام داخلی عصای سمی را می‌خورند و از پوست خطرناک پشت آن صرف‌نظر می‌کنند. حتی حشراتی مانند لاروهای پروانه شاه‌پست که به گلیکوزیدهای قلبی مقاوم‌اند، رگ‌های شیرین‌پوش را برش می‌زنند تا مایع سمی را تخلیه کنند پیش‌از اینکه به گیاه چسبیده شوند.

به کارگیری سم‌ها

بسیاری از حیوانات راه‌هایی برای ذخیره ایمن مواد سمی که مصرف می‌کنند پیدا می‌کنند و از آن‌ها برای اهداف خود استفاده می‌نمایند. به عنوان مثال، سوسک درخشانی (dogbane beetle) گلیکوزیدهای قلبی را از گیاهان میزبان خود به‌دست می‌آورد و سپس – احتمالاً از طریق انتقال‌دهنده‌های ABCB – آن‌ها را بر پشت خود برای دفاع شخصی می‌چسباند. دوبلر می‌گوید: «وقتی به‌نوعی این سوسک‌ها را تحریک می‌کنید، می‌توانید قطره‌های کوچکی را بر روی الیترای (پوشش بال) آن‌ها، سطح پشتی، مشاهده کنید.»

از طریق این نوع به‌کارگیری سم، برخی حشرات برای بقا به گیاهان میزبان خود وابسته می‌شوند. رابطهٔ بین پروانهٔ شاه‌پست و گیاه شیرین‌پوش نمونه‌ای برجسته است – و نمونهٔ دیگری از تأثیر عمیق این پیوندهای پیچیده.

در یک مطالعهٔ ۲۰۲۱، زیست‌شناس تکاملی و ژنتیک‌دان نوح وایتمن از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و همکارش چهار گونهٔ جانوری را شناسایی کردند که به‌طور خاص توانستند گلیکوزیدهای قلبی را تحمل کنند و به این ترتیب می‌توانند بر پروانه‌های شاه‌پست تغذیه کنند. یکی از این گونه‌ها «گروس‌بیک سر سیاه» است، پرنده‌ای که در جنگل‌های سِیرفی‌های بلند مرتفع مکزیک، جایی که پروانه‌ها برای عبور زمستان به جنوب پرواز می‌کنند، بر پروانه‌های شاه‌پست تغذیه می‌کند.

نوح وایتمن می‌گوید: «تصور کنید؛ سم‌ّی که در یک گیاه شیرین‌پوش در دشت‌های انتاریو (کانادا) تولید شد، به‌گونه‌ای بر زیست‌شناسی یک پرنده تأثیر گذاشته که می‌تواند به‌امن در جنگلی هزاران مایل دورتر تغذیه کند.» او اضافه می‌کند: «این واقعاً شگفت‌انگیز است، مسیری که این مولکول کوچک پیموده و تأثیری که بر تکامل دارد.»

* این مقاله اولیه در وب‌سایت Knowable منتشر شده بود و تحت یک مجوز Creative Commons اینجا بازنشر شده است.