Сногсшибательный коктейль

Задача

Яды кобр (как и яды других активно ядовитых животных с похожим механизмом действия) содержат не только нейротоксин — ядовитый белок, от действия которого гибнет человек. В состав яда входит множество разных веществ. Как вы думаете, зачем может быть нужна такая смесь? Для чего нужны все остальные вещества, кроме «главного» нейротоксина?


Подсказка 1

Подумайте, какие «жизненные задачи» змеи может помогать решить яд.


Подсказка 2

Разнообразие веществ в яде данного вида кобры может быть выше, чем в яде конкретной змеи. Подумайте, с чем это может быть связано.


Решение

Главные задачи, которые может решить змея с помощью яда, очевидны — это защита от врагов и овладение добычей. На первый взгляд, они похожи и могут решаться одинаковыми средствами. Но это далеко не всегда так.

Добычу нужно прежде всего быстро обездвижить. Многие змеи, быстро введя яд, отпускают жертву — ведь даже некрупный зверь вроде крысы, схваченный змеей, может развернуться и сильно покусать, а то и убить ее. Брошенная жертва не должна уйти далеко, иначе змее трудно будет отыскать ее. Вот почему многие змеи стремятся прежде всего отключить работу мышц жертвы. Наиболее эффективный способ сделать это — нарушить работу нервной системы или нервно-мышечную передачу. Обычно несколько нейротоксинов действуют на разные звенья нервно-мышечной передачи — какой из них подействует раньше, может зависеть от многих факторов (например, от места укуса). А для гарантии, «чтобы уж наверняка с ног валил», яд часто содержит кардиотоксины, нарушающие работу сердца, и факторы, вызывающие увеличение проницаемости сосудов и резкое падение кровяного давления. Можно предположить, что синтез яда с высоким содержанием белков — энергетически дорогостоящее мероприятие. Исходя из этого, есть смысл повышать токсичность яда, а не просто его дозу.

Кстати, о месте укуса. Обычно змея вводит яд не внутривенно, а внутримышечно (а иногда и подкожно). Чтобы яд подействовал на нервы, он должен хорошо проникать в ткани. Для этого логично было бы добавить в него компоненты, способные разрушать мембраны и межклеточное вещество.

Разнообразие нейротоксинов и других компонентов яда может быть связано и с разнообразием жертв. Если, например, змея питается преимущественно насекомыми или рыбами, то для них можно использовать одни токсины, а для защиты от хищных млекопитающих — другие. Рацион змеи (как и ее враги) могут меняться по мере ее роста и различаться в разных частях ареала. Вот почему разнообразие компонентов яда может быть выше в пределах вида, чем у конкретной особи.

Еще одна возможная причина сложности и разнообразия ядов — «гонка вооружений» между хищниками и жертвами (см. Неядовитые змеи вырабатывают устойчивость к смертоносному яду тритонов, Эволюционная «гонка вооружений»: нейротоксины против ионных каналов). Здесь ситуация отчасти схожа с использованием антибиотиков: комбинированное лечение более эффективно, потому что к двум антибиотикам сразу у бактерий устойчивость возникает редко.

В принципе, яд может помочь змее и найти жертву (если змея отпускает ее после укуса). Эта идея мне не пришла в голову, но ее высказывает один из исследователей (см. William K. Hayes. Roles and Variation in Snake Venom). Например, если яд содержит противосвертывающие вещества и жертва истекает кровью, ее можно найти по кровавому следу с помощью обоняния.

Змеи обычно глотают добычу целиком, и с ее перевариванием (особенно если это крупная птица или млекопитающее) могут возникать большие сложности. Если яд частично «переваривает» ткани жертвы, это может быть очень полезным его свойством.

Крупного хищника (или какого-нибудь случайно топающего мимо слона) нужно прежде всего отпугнуть. Причем лучше отпугнуть так, «чтобы больше неповадно было». Если укус окажется несмертельным, то хорошо бы хищник его надолго запомнил. Поэтому в яде могут присутствовать вещества, вызывающие боль. Это могут быть сами «медиаторы боли» (вроде гистамина и брадикинина) или вещества, вызывающие их высвобождение из клеток хозяина. Боль могут провоцировать и цитотоксины — яды, вызывающие повреждение тканей.

Но для решения всех этих задач змея должна сначала «приготовить» яд и сохранить его в целости и сохранности до момента использования. И то, и другое не так-то просто сделать. Естественно, яд нужно «довести до объема» растворителем — водой. А в виде раствора он должен длительное время храниться, не теряя активности, — ведь многие змеи едят редко. При высокой концентрации разных белков в яде хранить его — задача непростая. Молекулы белков могут слипаться, выпадать в осадок, реагировать друг с другом. Стабилизировать белки в растворе можно, например, повысив концентрацию сахаров. Можно использовать для этого и белки-шапероны, препятствующие денатурации и «склеиванию» других белков.

Если яд содержит пищеварительные ферменты, они будут переваривать сами себя и другие компоненты яда. Цитотоксические вещества могут повредить клетки самой змеи. До поры до времени их нужно инактивировать. Это можно сделать, например, закислив среду (или сделав ее более щелочной — в зависимости от свойств ферментов). Возможно, стенки железы можно защитить слоем слизи — как стенки желудка у человека.

А нужно ли «снимать блокировку» перед введением яда? Вполне возможно, что яд активируется в теле жертвы «по умолчанию» — просто из-за разбавления. Но может оказаться, что нужны специальные активирующие компоненты — их можно добавлять, например, при прохождении яда по протоку железы.

Еще одна проблема — яд может «протухнуть», если в нем заведутся бактерии. Вероятно, как и наши слизистые, ядовитая железа и ее содержимое нуждаются в антибактериальной защите.


Послесловие

Большинство выдвинутых в решении идей, видимо, реализуются в действительности. Про некоторые идеи в точности это не известно. Например, не удалось найти прямые данные про «активаторы» яда. Может быть, они и существуют. У большинства ядовитых змей по ходу протока главной ядовитой железы есть еще одна, добавочная. Известно, что она выделяет десятки или сотни веществ, которых нет в яде главной железы. Но пока почти ничего не известно про их функции.

Правда, до недавнего времени про биологические функции змеиных ядов и их компонентов (то есть про их значение для приспособленности самой змеи) вообще было на удивление мало известно. Гораздо лучше было изучено действие ядов на организм людей или лабораторных мышей, чем на реальную добычу и врагов змей. Только «из общих соображений» можно было догадываться, что яды имеют многоцелевое назначение. Очевидный пример такой полифункциональности — яд плюющихся кобр. Они плюются ядом в глаза при защите от хищников, а жертв кусают. Яд этих видов вызывает сильную боль, нарушение зрения и помутнение роговицы из-за цитотоксичных компонентов; в ядах других кобр таких веществ гораздо меньше. А жертва в любом случае гибнет от нейротоксинов.

Поскольку многие змеи вводят жертве дозу яда, в десятки и сотни раз превышающие полулетальную дозу, ЛД50 (при внутривенном введении для мыши!), существовало мнение, что эта «избыточная ядовитость» должна сводить на нет роль внутривидового (а отчасти и межвидового) разнообразия состава ядов. Но за последние 10–15 лет выяснилось, что это не так.

Во-первых, с помощью методов геномики, транскриптомики, протеомики и прочих «-омик» было показано, что в ходе эволюции разнообразие белков и пептидов в ядах растет ускоренными темпами. В их генах повышен темп мутирования и процент несинонимичных замен. При экспрессии этих генов часто используется альтернативный сплайсинг, посттрансляционные модификации и другие механизмы повышения разнообразия продуктов. Значит, это для чего-нибудь нужно — или для победы в «гонке вооружений», или для возможности «адаптировать» яд к разным видам жертв.

Во-вторых, стали накапливаться данные по биологии змей, подтверждающие роль разнообразия токсинов. Например, было показано, что чем крупнее добыча данного вида гремучников (Crotalus), тем выше в их яде концентрация пищеварительных ферментов; вероятно, яд и в самом деле способствует перевариванию. Другой пример: чем больше процент скорпионов в диете данного вида эф (Echis), тем ниже именно для скорпионов ЛД50 его яда (A. Barlow et al., 2009. Coevolution of diet and prey-specific venom activity supports the role of selection in snake venom evolution); а вот время, за которое скорпион обездвиживается, от его доли в диете не зависит. Отсюда авторы делают вывод, что отбор способствовал не эффективности обезвреживания жертвы, а экономии яда.

Число таких работ быстро растет, как и объем работ по скринингу ядов и выявлению новых компонентов. Например, в ядах обнаружены десятки антибактериальных пептидов. Но служат ли они для защиты от бактерий, или повреждают ткани жертв, или делают что-то еще — не ясно. В ядах многих змей за последние годы обнаружены мощные обезболивающие — например, мамбалгины из яда мамб (см. Пептиды из яда черной мамбы оказались эффективными анальгетиками) . Зачем они нужны змее — точно не известно, мне не удалось найти в литературе никаких данных на этот счет. Укус мамбы может вызывать боль и жжение (правда, слабые).

У некоторых змей обнаружены межполовые различия состава яда. Пока неизвестно, с чем ни могут быть связаны. Для скорпионов эти различия хотя бы гипотетически можно объяснить: известно, что у некоторых видов самец слегка жалит самку перед спариванием, чтобы временно обездвижить ее. Но для змей такое поведение вроде бы не описано. И подобную функцию яда уже довольно сложно придумать.

Особые функции могут быть у ядов паразитоидов. Яды паразитоидных ос и наездников тоже часто содержат нейротоксин — только он должен не убить, а парализовать жертву. Выгодно, чтобы жертва не дергалась во время откладки в нее яиц, а для эктопаразитоидов (развивающихся снаружи на теле хозяина) — и позже, когда из отложенного на теле хозяина яйца выходит личинка и начинает поедать его ткани. Поэтому токсины эндопаразитоидов (развивающихся внутри хозяина ) обычно вызывают временный паралич, а эктопаразитоидов — постоянный. Токсины многих паразитоидов меняют обмен веществ хозяина, блокируют его развитие, вызывают кастрацию и подавляют работу иммунной системы.

Такие функции ядов наездников, пожалуй, еще можно придумать. А до многих других свойств ядов додуматься «из общих соображений» вообще невозможно. Фантазия пасует перед изобретениями природы. Действие токсинов бывает весьма хитроумным.

Широко разрекламированный пример — изумрудная тараканья оса (Ampulex compressa); см. видео. Ее обычная жертва — крупный американский таракан (Periplaneta americana), тащить которого в нору было бы нелегко. Первым ударом в грудной ганглий оса временно парализует передние ноги таракана (главную роль в этом играет гамма-аминомасляная кислота). Не теряя времени, оса наносит второй удар — в головной мозг. Содержащийся в яде дофамин заставляет таракана в течение получаса активно заниматься грумингом (см. Personal grooming); при этом он выделяет антибактериальные вещества, возможно, защищающие впоследствии личинку паразита от инфекций. Затем это поведение сменяется ступором: таракан теряет способность начинать произвольные движения (но может ходить!). Связано это с блокадой выделения октопамина в мозге таракана, что обеспечивается смесью нескольких веществ яда. Оса ведет «зомбированного» таракана за усик в норку, где будет отложено яйцо осы и разовьется ее личинка. И таракан послушно следует за осой.

Таких примеров модификации поведения известно множество. Приведу еще один — на мой взгляд, гораздо более впечатляющий. Личинки некоторых наездников, развиваясь в гусеницах, не убивают их. Когда личинки выходят из тела недоеденного хозяина и окукливаются, гусеница перестает питаться и ползать с места на место. Вместо того чтобы строить собственный кокон, она оплетает паутиной куколки наездника и сидит над ними. Если появляется хищный клоп, способный поедать куколок наездника, или другое насекомое, то гусеница начинает активно дрыгаться, часто сбрасывая хищника с растения (A. H. Grosman et al., 2008. Parasitoid Increases Survival of Its Pupae by Inducing Hosts to Fight Predators; см. также видео). При этом нормальные гусеницы на этих клопов вообще не обращают внимания.

Возникает вопрос: как можно запрограммировать такое поведение с помощью укола, нанесенного самкой наездника несколько недель назад? По некоторым данным, в теле гусеницы остается парочка личинок; они-то якобы и управляют ее поведением. Но по крайней мере для некоторых случаев доказано, что хозяин превращается в «телохранителя» все-таки благодаря яду. Этот яд содержит дефектные вирусы, которые размножаются только в клетках яичника самки наездника. Попав в организм жертвы, вирусы длительное время экспрессируют свои гены и управляют поведением жертвы с помощью соответствующих белков — а эти белки вполне можно считать «длинной рукой» яда...

По современным оценкам, в ядах 1500 видов скорпионов содержится не менее 150 000 разных пептидов и белков. В ядах 40 000 видов пауков их около 10 000 000, и низкомолекулярных веществ там тоже немало (см. Великому комбинатору и не снилось: комбинаторика токсинов пауков). Паразитоидов-перепончатокрылых около 300 000 видов, а яд хоть сколько-то изучен примерно у 70 видов. Среди неизвестных науке токсинов наверняка найдутся такие, которые подавляют, активируют и десятком способов модифицируют работу практически любого белка-рецептора и влияют практически на любые функции клеток и органов. И каждый такой токсин — потенциальное лекарство. Как всегда, работы непочатый край.


1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)

  • sancho  | 02.12.2016 | 14:59 Ответить
    очень понравилось! спасибо!
    Ответить
Написать комментарий

Другие задачи


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»