67 гостей
Зміїні отрути | Журнал Популярна Механіка
Зміїні отрути - безперечні шедеври еволюції. Вбивчі фарби нейротоксинов, яскраві тони гемолитических білків ... ці коктейлі удосконалювалися не один мільйон років і стали справжніми витворами хімічного мистецтва, здатного вразити зазівався цінителя наповал.
Нам здається, хто сильніший - той і головний. Хижаки відточують реакцію, відрощують гострі зуби, тренують потужні щелепи; травоїдні протиставляють їм могутню масу і швидкі ноги. Але отрута - це вогнепальна зброя природи, «великий зрівнювач». З його появою слабкий може здолати сильного, повільний наздожене швидкого. Недарма до застосування токсинів незалежно один від одного «додумалися» абсолютно різні тварини, від медуз до ссавців (отруйні, наприклад, деякі землерийки), від павуків і комах до, звичайно ж, змій.
Отруйні тварини є в кожному класі тварин (за винятком птахів), але кожен з них рухався до цього своїм шляхом. У медуз з'явилися спеціалізовані жалкі клітини, що містять складну органеллу кнідоціль з гострим шипом. У бджіл і ос під виробництво отрути пристосовані додаткові залози статевої системи. Зміїний отрута - це слина, густий водний розчин, що містить складну і смертоносну суміш токсичних білків. Він настільки бездоганний, що вже включає кілька протеолітичних ферментів, які розм'якшують тканини і починають перетравлювати жертву: вона все одно нікуди не дінеться.
Чорна мамба ЛД50: 0,3 мг / кг (при підшкірному введенні). Що мешкає в Африці Dend-roaspis polylepis - одна з найбільш страшних і небезпечних отруйних змій світу. Яскраво виражене територіальне поведінка робить її дуже агресивною до будь-яких порушників кордонів, і якщо швидко не використовувати протиотрута, ймовірність загибелі від укусу складе 100%.
Загальний отруйний предок
До появи методів аналізу і порівняння ДНК біологам доводилося спиратися на не надто надійне підґрунтя порівняльної анатомії, ембріології і суміжних дисциплін. Такий традиційний підхід говорив, що загальний предок всіх отруйних змій міг жити близько 100 млн років тому, коли вони вже давно розійшлися зі своїми лускатими родичами-ящірками. Справді, отруйні ящірки - виняткова рідкість, тоді як отрута є як мінімум у чверті видів змій. Важкі наслідки укусів багатьох ящірок пов'язували з бактеріями, в тому числі і з численними патогенами, які мешкають в їх ротової порожнини.
Однак не так давно в експериментах з клітинними культурами виявилося, що слина багатьох ящірок володіє справжньою токсичністю і здатна пригнічувати згортання крові, викликати параліч і інші неприємні ефекти. Окремі білкові компоненти зміїної отрути знайдені у 1500 видів ящірок, включаючи знаменитих комодских «драконів». Додавши до цього дані хімічного і ДНК-аналізу, вчені висунули гіпотезу про куди більш стародавньому еволюційне походження отрут, відносячи цей знаменний момент до загального предка змій, ігуан і деяких інших ящірок, який жив близько 170 млн років тому і зробив особливі перебудови свого генома.
Жорстока змія ЛД50: 0,025 мг / кг (при підшкірному введенні). Oxyuranus microlepidotus - житель Центральної Австралії - використовує найнебезпечніший для людини отрута, який включає токсини, що діють на нервову систему і м'язи, печінку, нирки і судини. Наприклад, тайкатоксін блокує переміщення іонів кальцію в клітини серцевого м'яза, зупиняючи їх роботу.
Гени, що кодують важливі для роботи різних клітин і тканин білки, дупліціроваться і почали діяти в слинних залозах. Такі дуплікації в природі не рідкість - наприклад, коротконогих биглей, такс і споріднених з ними порід собак стала результатом подвоєння гена сигнального фактора FGF4, який бере участь в регуляції росту кінцівок. Однак у «отруйного предка» випадкові мутації і відбір змінили функції вихідної молекули - і білок, мирно служив будь-який регулятор згортання крові, міг перетворитися в забійний токсин, що викликає її неконтрольовану коагуляцію. Наприклад, А2, невеликий і в цілому нешкідливий фермент, який бере участь у перетравлюванні ліпідів, перетворився на справжнього кілера, який без розбору знищує живі клітини, розчиняючи їх мембрани. І таких кілерів в зміїному отруті можуть бути десятки: на білки припадає до 90% його сухої маси і практично 100% смертельних ефектів.
Очкова кобра ЛД50: 0,57 мг / кг (при підшкірному введенні). Отрута містить нейротоксичні і кардиотоксические компоненти, викликаючи параліч і загибель від асфіксії або серцевого нападу. Кобра Naja naja входить в знамениту «велику четвірку» отруйних змій Азії, яку очолює гадюка Расселла, та сама «строката стрічка» з оповідання про Шерлока Холмса.
Забійні рецепти
Зміїні отрути - найскладніші з усіх природних отрут, і порівнювати їх з хімічною зброєю означало б недооцінювати їх досконалість. Хлор або іприт - прості молекули, що працюють грубо і безладно; токсини кобри або чорної мамби діють з убивчою точністю і ефективністю. Кожен з них окремо - і загальний рецепт їх суміші - відточені мільйонами років еволюції і атакують цілком певні мішені в організмі жертви. Ключовими з них можна назвати клітини крові, нервової та серцево-судинної системи.
Дендротоксін 1, що входить до складу отрути мамб, здатний блокувати велику групу потенціал-чутливих калієвих каналів, порушуючи передачу нервових імпульсів по нейронах. Різноманітні α-нейротоксини, наявні у кобр і багатьох інших змій, зв'язуються з рецепторами ацетилхоліну, повністю блокуючи роботу синапсів - перш за все тих, що передають команду від нервових клітин до м'язових, - що закінчується паралічем і смертю від асфіксії. Фасцікуліни в отруті гремучников дезактивують ацетилхолінестеразою, яка видаляє зайвий нейротрансмиттер з синаптического простору - і надлишок його викликає неконтрольовані спазми і судоми.
Звичайна гадюка ЛД50: 6,45 мг / кг (при підшкірному введенні). Vipera berus в світовому рейтингу небезпеки плететься далеко за лідерами. Отрута її не відрізняється неймовірною токсичністю, і проти нього створено кілька протиотрут. Зате у кожного пересічного грибника є шанс отримати укус, наслідки якого в будь-якому випадку вкрай важкі.
Це лише мала дещиця токсинів зміїних отрут і їх мішеней: інші можуть викликати ураження нирок і параліч серцевого м'яза, руйнування вистилає судини ендотелію і масовий некроз тканин. Гадюки і багато кобри перетворили в убивць звичайні фактори згортання крові. З цілого каскаду скоординовано діють білків, який запускає механізм утворення тромбу в разі травми, той чи інший може «переходити на темну сторону» і викликати загальне тромбоутворення прямо в судинах. Видовище це жахливе: тіло жертви більше не заповнено густий кров'ю, майже вся вона перетворюється в згорнувся згустки і водянисту плазму, яка через підвищення тиску змушує тіло роздуватися, як повітряна куля, і сочиться буквально з усіх отворів - включаючи крихітні сліди, залишені отруйними зубами.
засоби доставки
Яд загального предка змій і деяких ящірок, яких іноді об'єднують в групу Toxicofera, мабуть, такий складністю не відрізнявся і комбінував досить обмежена кількість видозмінивши білків. Чи не було у нього і особливих пристосувань для ефективної ін'єкції токсичної слини в організм жертви. Тому різні групи цих лускатих пішли різними шляхами, розробляючи власні кошти і механізми доставки. За великим рахунком, цей процес охопив всі системи зміїного організму, хоча епіцентр його припав, звичайно, на слинні залози, що стали справжніми фабриками по синтезу токсинів. І на зуби, які перетворилися в гострі, начинені отрутою шприци.
Вважається, що найдосконалішим отруйним апаратом можуть похвалитися представники великого і повсюдно поширеного сімейства гадюкових. Їх великі отруйні залози оточують потужні жувальні і скроневі м'язи, здатні моментально видавити отрута. По каналах він надходить у великі отруйні зуби, які у багатьох видів стали порожніми і гострими, як голки. Занурені в товсту слизову основу, ці зуби автоматично «розкладаються», варто змії широко розкрити пащу - і при зусиллі м'язів, які її зачиняють, отрута видавлюється під шкіру жертви.
Гадюковие мають найрозвиненішим отруйним апаратом.
Деякі кобри діють ще підлі - плюються отрутою на 1-2 м, які прагнуть посісти при цьому в очі. Але ця навичка - досить пізній придбання, і для плювків пристосовані звичайні отруйні зуби з новими бічними отворами. До того ж потрапив на рогівку отрута не смертельний і лише викликає сильне роздратування, дозволяючи змії нанести укус, здатність до якого ці види зовсім не втратили. Засліплена жертва приречена, якщо тільки не зможе протиставити отрути який-небудь антидот.
гонка протиотрут
Багато змії змушені дотримуватися велику обережність, щоб не вкусити себе за хвіст і не загинути від власного отрути. У сутичках між ними загибель від отруєння - звичайна справа, особливо якщо в конфлікт вступили плазуни різних видів. Зате інші стали нечутливі до дії власних токсинів - як індійська кобра, очкова змія, ацетилхолінові рецептори якої нечутливі до дії основного компонента її отрути, α-нейротоксин. Випадкові мутації обдарували такою стабільністю і мангустів, а також їжаків, свиней і медоеда - родичів куниць, які полюють на отруйних змій куди активніше улюбленого всіма Рікі-Тікі-Таві.
Але саму разючу стійкість до зміїним отрут демонструють опосуми, які майже несприйнятливі навіть до дії ботулотоксину і рицину. Їх головний секрет криється в дивовижній молекулі LTNF - білковому факторі крові, що нейтралізує летальні токсини. Ізольований і ін'єктувати мишам внутрішньочеревного, він допоміг їм вижити в експериментах з введенням летальних доз отрут всіх чотирьох основних сімейств отруйних змій - і навіть деяких токсинів іншого походження, включаючи отрута скорпіона. Фактор LTNF відкритий недавно, і механізм його дії поки неясний, але він активно вивчається - адже теоретично кров опосумів може забезпечити нас унікальним по ефективності антидотом.
Багато токсини зміїної отрути ювелірно впливають на окремі білки нервово-м'язових синапсів і їх нейромедіатор - ацетилхолін. Вони можуть приводити або до гіпертрофованого і неконтрольованого збудження, або до глибокого пригнічення роботи цих сполук.
Поки ж протиотруту для кожного випадку доводиться отримувати окремо, вводячи несмертельні дози тваринам - зазвичай коровам або коням - і виділяючи з їх крові з'явилися в результаті імунної відповіді готові антитіла. При деякому терпінні і великий відвазі такі антитіла можна «виховати» і у власному тілі: легендарний дослідник, засновник серпентарію в Майамі Білл Хааст вводив собі мікродози отрут протягом усього життя. Він не тільки благополучно пережив 172 укусу, а й був донором унікальною крові, яка врятувала десятки життів людей, укушених зміями, протиотрути для яких не проводиться.
дороге незадоволення
Токсини - інструмент неймовірно ефективний, але не всемогутній. Недарма переважна більшість тварин все-таки дотримуються інших методів захисту і нападу, які обходяться організму не так дорого. Справді, дослідження гримучих змій до і після забору у них отрути показало, що синтез білків, необхідних для заповнення запасу смертельних доз, змушує напружуватися весь організм і протягом трьох діб працювати в посиленому режимі, підвищуючи рівень метаболізму на 11%. Такі ж вимірювання проведені і для гадюкообразних смертельних змій, надзвичайно небезпечних мешканців Австралії: їм для відновлення доводиться підвищувати метаболізм майже на 70%.
Синтез отрути - заняття не для слабаків, воно вимагає зусиль, порівнянних з тими, що витрачають бігуни на марафонській дистанції. Але ще більший внесок вимагає еволюція і вирощування складних систем його доставки. По суті, це окремий напрямок розвитку, в жертву якому отруйні види приносять масу ресурсів. У деякому роді його можна назвати альтернативою складного і великого мозку: поряд з цим ненажерливим органом хімічну зброю - одна з найдорожчих і найефективніших знахідок природи.
Стаття «Праведник» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2016 ).
