Angry bird

И у птиц, и у лягушек содержание яда у особей из разных популяций и даже из одной популяции может варьировать в очень широких пределах.

Примерно такая история, что описана в условии, действительно имела место (см. видео Discovery: First Scientifically Confirmed Poisonous Bird). Молодым исследователем-студентом был Джек Думбахер (Jack Dumbacher), а роль «angry bird» играла двуцветная дроздовая мухоловка, или хохлатый питоху — Pitohui dichrous (рис. 1).

Рис. 1. Двуцветный питоху. Фото с сайта en.wikipedia.org

Обнаруженный в перьях птицы яд оказался одной из разновидностей батрахотоксина (рис. 2) — алкалоида, ранее выделенного из кожи лягушек-листолазов (Phyllobates), представителей семейства дендробатид.

Рис. 2. А — батрахотоксин; Б — гомобатрахотоксин из кожи лягушек-листолазов и перьев питоху

Этот довольно необычный алкалоид относится к стероидам. Он связывается с потенциал-зависимыми натриевыми каналами нервных и мышечных клеток и оказывает на них разнообразное действие. Токсин снижает их пороговый потенциал (так что они открываются даже при потенциале покоя — с этим, возможно, связано исходное чувство жжения). Снижается также проводимость и избирательность каналов. Но главное — при связывании с ядом каналы необратимо открываются, теряя способность переходить в закрытое или инактивированное состояние. В результате аксоны нервных клеток быстро теряют способность генерировать и проводить нервные импульсы (тут уже возникает онемение губ и языка). При большей дозе яда развивается паралич всей скелетной мускулатуры, фибрилляция желудочков и другие фатальные последствия.

Как же идентичный алкалоид мог появиться у лягушек и птиц?

Вообще-то, в независимом приобретении похожих или даже идентичных сложных молекул ядов путем молекулярной конвергенции нет ничего невероятного (см., например, K. Roelants et al., 2010. Identical Skin Toxins by Convergent Molecular Adaptation in Frogs или Marc Dauplais et al., 1997. On the Convergent Evolution of Animal Toxins). Но в условии задачи предлагается этот вариант не рассматривать.

Следующее возможное объяснение — горизонтальный перенос генов, ГПГ (от лягушек к птицам или, например, от каких-то бактерий к тем и другим). Хотя ГПГ более распространен среди прокариот, у эукариот от тоже встречается не так уж редко. Судя по всему, именно путем ГПГ (от цианобактерий и других видов бактерий) динофлагелляты приобрели свой сакситоксин (см. R. Orr et al., 2013. Evolution and Distribution of Saxitoxin Biosynthesis in Dinoflagellates). Этот яд отчасти сходен по механизму действия с батрахотоксином (сакситоксин блокирует потенциал-зависимые натриевые каналы). И это несмотря на то, что для синтеза сакситоксина нужно около десятка разных генов!

Но, по-видимому, никаких «генов синтеза батрахотоксина» у птиц и лягушек на самом деле нет — потому что нет самого синтеза. Яд они получают извне, разве что чуть-чуть модифицируя его, а не синтезируют сами.

На этот вариант решения наталкивает нас подсказка. И среди птиц, и у многих видов дендробатид ядовитость варьирует в широких пределах (хотя она явно полезна для защиты от хищников). Любители древесных лягушек знают, что при длительном содержании в неволе они частично утрачивают ядовитость. А если лягушка вылупилась из икринки и выросла в террариуме — она вообще не ядовита. В неволе не хватает какого-то «фактора», который есть в природе и необходим для наличия яда.

В принципе, высокое содержание яда на перьях птиц и на коже лягушек может говорить о том, что яд попадает из внешней среды прямо на покровы. Его могут, например, синтезировать симбиотические бактерии (можно предположить, что в неволе они не попадают на кожу лягушат или не могут там размножаться из-за «неправильных» условий). Или животное может обмазываться ядом из какого-то внешнего источника. Такое поведение широко распространено среди птиц: наиболее известный его вариант — муравление, или энтинг. Птица натирает перья муравьями или «купается» в муравейнике. Иногда вместо муравьев птицы используют ядовитых гусениц или многоножек.

Однако у лягушек такое поведение, кажется, не описано. Кроме того, батрахотоксин есть не только в перьях птиц и коже лягушек. Он содержится (хотя и в гораздо более низкой концентрации) и в большинстве внутренних органов. У лягушек этот довольно липофильный яд мог бы легко проникать через кожу; для птиц этот путь гораздо менее вероятен. Хотя частично батрахотоксин, возможно, проникает даже сквозь неповрежденную кожу человека, но неизвестно, с какой скоростью.

Итак, наиболее вероятный путь получения яда — с пищей. Поскольку лягушки-листолазы едят почти исключительно членистоногих, они и должны служить источником яда. Долгое время было неизвестно, какие виды пищевых объектов содержат батрахотоксин. Лишь когда за дело взялся Думбахер, появилась правдоподобная гипотеза. Ему удалось узнать от местных жителей, что для обозначения ядовитых птиц и одного из видов жуков используется одинаковое слово, связанное с жжением и онемением при контакте. И «народная наука» не подвела — жуки Choresine pulchra (рис. 3), как оказалось, действительно содержат батрахотоксн и действительно входят в состав диеты питоху.

Рис. 3. Жук Choresine pulchra — возможный источник батрахотоксина для ядовитых птиц. Фото из статьи J. Dumbacher et al., 2004. Melyrid beetles (Choresine): A putative source for the batrachotoxin alkaloids found in poison-dart frogs and toxic passerine birds

Семейство Melyridae, к которому относятся эти жуки, широко распространено в Новом свете; так что вполне возможно, что и лягушки-листолазы получают свой главный яд от каких-то видов этих жуков.

Кроме защиты от хищников, ядовитость покровов может служить для защиты от паразитов. Видимо, в этом состоит главная роль муравления. Батрахотоксин тоже может оказаться ядовитым для вшей, пухоедов или других членистоногих. Теоретически он также может попадать с кожи и перьев взрослой птицы на яйца и материал гнезда в период насиживания, а потом — и на тело птенцов. Так что защита потомства от паразитов и хищников — еще одна возможная функция яда.

Для использования подобного яда лягушки и птицы должны были выработать к нему устойчивость. Их ионные каналы приобрели какие-то особенности, предотвращающие связывание яда. Это может давать птицам еще один бонус — возможность расширить круг пищевых объектов за счет ядовитых насекомых, недоступных для конкурентов.

Можно предположить также, что птица способна как-то более активно использовать ядовитость оперения. Сам по себе батрахотоксин нелетучий. Но известно, что при контакте с питоху начинают слезиться глаза, течет из носа и першит в горле. Видимо, это связано с попаданием мелких частиц пуха и перьев на слизистые. Возможно, птица могла бы использовать токсин для обездвиживания мелких жертв (например, во время того же «купания» в муравейниках).

Открытие Думбахера, конечно, было сенсацией и позволило опубликовать статью в Science. Но не потому, что ядовитых птиц до этого никто не находил. К тому времени было широко известно несколько примеров несъедобности птиц. С древности было известно, что можно отравиться мясом... обыкновенного перепела (см. Coturnism). Правда, только в период миграции. В это время птицы, видимо, едят какие-то необычные растения (их семена?) и накапливают яд. Как ни странно, до сих пор неизвестно, что это за растение и что является ядовитым началом. Шпорцевые гуси могут поедать жуков-нарывников и накапливать кантаридин в таких количествах, что их мясо становится ядовитым. И таких случаев, видимо, немало. Еще в 1940-е годы британский орнитолог Х. Котт заметил, что шершни охотно едят мясо горлицы, но не трогают лежащее рядом мясо зимородка (см. P. Weldon, 2000. Avian chemical defense: Toxic birds not of a feather). В результате он предпринял широкое (хотя и недостаточно глубокое) исследование съедобности птиц для разных видов животных и пришел к выводу, что плохие вкусовые качества мяса птиц коррелируют с яркой окраской.

Исследования Думбахера в целом подтвердили этот вывод. Батрахотоксин (хотя и в очень разных количествах) был обнаружен у пяти видов «питоху» и у синеголовой ифриты ковальди (см. Blue-capped ifrit). Все эти виды имеют контрастную, хорошо заметную окраску. Оражево-красная окраска «питоху» — типично предупреждающая, апосематическая. Продолжая изучение этих птиц, Думбахер предположил, что для них характерна мюллеровская мимикрия (рис. 4).

Рис. 4. Распространение и фенотипы некоторых подвидов изменчивой дроздовой мухоловки, P. kirhocephalus. Изображение из статьи J. Dumbacher & R. Fleischer, 2001. Phylogenetic evidence for colour pattern convergence in toxic pitohuis: Müllerian mimicry in birds?

Изменчивая дроздовая мухоловка давно поражала орнитологов огромным уровнем фенотипической изменчивости и «странным» распространением подвидов. Анализ ДНК показал, что это, скорее всего, действительно один вид. При этом у некоторых подвидов независимо возникла оранжево-черная окраска. Оказалось, что это именно те подвиды, ареал которых перерывается с ареалом другого оранжево-черного токсичного вида — двуцветного питоху.

Что касается всех «питоху» — я не случайно начал брать это название в кавычки. Оказалось, что эти птицы, ранее относимые к одному роду, на самом деле принадлежат к разным родам и даже к разным семействам (рис. 5).

Рис. 5. Филогенетическое дерево, на котором показаны ядовитые (содержащие хоть какое-то количество батрахотоксина) виды, ранее относимые к роду Pitohui. Из статьи K. Jønsson et al., 2008. Polyphyletic origin of toxic Pitohui birds suggests widespread occurrence of toxicity in corvoid birds

В связи с этим возник вопрос — сколько же раз возникала в этой группе птиц ядовитость? Думбахер и его соавторы высказывают предположение, что «склонность к ядовитости» (способность накапливать токсины ядовитых беспозвоночных, накапливать их в секрете копчиковой железы и намазывать на перья) — общий исходный признак для почти 700 видов птиц. Если это так, заключают авторы статьи, то ядовитость может быть распространена среди этой группы гораздо шире, чем мы думаем.

Гипотеза про участие копчиковой железы, кстати, позднее не подтвердилась. Оказалось, что батрахотоксин активно накапливается в особых органеллах — мультигранулярных телах — в коже птицы, а оттуда попадает в перья в составе липидных капель в клетках эпидермиса (см. G. Menon & J. Dumbacher, 2014. A ‘toxin mantle’ as defensive barrier in a tropical bird: evolutionary exploitation of the basic permeability barrier forming organelles).

Сейчас в лаборатории Думбахера активно изучают механизм накопления яда в коже, а также секвенируют геном питоху, чтобы изучить особенности ее натриевых каналов — основу устойчивости к батрахотоксину.

Вернемся к источникам яда. Допустим, лягушки и птицы получают его из жуков. А жуки — синтезируют ли они его сами? Точно это не известно. Почти наверняка исходные вещества — фитостеролы — жуки получают из растений, которыми питаются. Как и где синтезируется сам батрахотоксин — до сих пор загадка для науки. Предполагается, что в его синтезе могут участвовать бактерии-симбионты. И это предположение далеко не беспочвенное, если вспомнить истории с другими ядами животных. Некоторые животные, конечно, сами могут синтезировать неплохие токсины — например, кобра или тайпан. Но наиболее сильнодействующие яды животных небелковой природы (а среди них батрахотоксин чуть ли не чемпион), как часто оказывалось, создали другие инженеры — бактерии.

Уже упоминавшийся нами сакситоксин был назван так «в честь» двустворчатых моллюсков Saxidomus. Съев эту ракушку, человек может получить тяжелое (иногда смертельное) отравление сакситоксином. Потом выяснилось, что яд накапливается в тканях моллюсков во время красных приливов — вспышек размножения токсичных видов динофлагеллят. А как мы теперь знаем, и динофлагелляты изобрели его не сами — нужные для синтеза яда гены они «украли» у бактерий.

Похожая картина и с тетродотоксином (ТТХ)  — одним из самых знаменитых ядов, «визитной карточкой» рыбы-фугу. Сначала считалось, что он есть только у рыб-иглобрюхов. Потом его выделили из икры и кожи западноамериканских тритонов. А потом — пошло-поехало: ТТХ обнаружили у других рыб, жаб, осьминогов, морских звезд, брюхоногих моллюсков, крабов, немертин, щетинкочелюстных, планарий... Выяснилось, что ТТХ производят самые разные виды бактерий. А все животные получают его либо с пищей, либо от бактерий-симбионтов и паразитов. И только один западноамериканский тритон остался в гордом одиночестве — возможно, он все-таки научился синтезировать ТТХ самостоятельно. А еще одна группа животных — змеи рода Thamnophis — получают ТТХ из тритонов... Кстати, справедливости ради нужно отметить, что и многие бактерии не сами производят свои яды — им помогают вирусы (см.. например: Уникальный случай тройного симбиоза: вирус помогает бактерии защищать тлю от врагов, «Элементы», 29.08.2009). Вот вирусам, кажется, уже никто не помогает.

Как ни удивительно, при огромном числе посвященных ТТХ работ до сих пор точно не известны ни пути синтеза ТТХ у разных бактерий, ни гены, отвечающие за этапы синтеза. Не очень понятно, зачем этот токсин вообще нужен бактериям — особенно живущим в донных осадках... Как всегда — на большинство вопросов ответ неизвестен: всюду одни загадки!