Съесть ядовитое

Яд — универсальное средство нападения и защиты. К счастью, есть возможность избежать отравления. Однако это удается немногим, а животных, полностью невосприимчивых к ядам, не существует. Слишком высокую цену приходится платить за эту невосприимчивость.

Укусит, укусит

Ядовитая змея — лакомый кусочек. Кожа у нее тонкая, кости хрупкие, а сама рептилия обычно толстая и движется относительно медленно. Загрызть ее по силам даже ежу. Одна беда — змеи кусаются. Впрочем, любителей полакомиться ядовитыми змеями это не останавливает. Почему, спрашивается? Что они могут противопоставить змеиному укусу?

Лучше всего, хотя далеко не полностью, этот вопрос исследован на млекопитающих. Трудно увидеть, как млекопитающее ест змею: такие хищники часто ведут ночной образ жизни, а с добычей расправляются, укрывшись в траве. Рацион животных приходится исследовать, копаясь в содержимом их желудка и кишечника и фекалиях. Пережеванные позвонки, ребра и чешую змей в желудках и помете идентифицировать трудно. Тем не менее исследователи с уверенностью включают в число змееедов (офиофагов) около полусотни видов из 14 семейств: сумчатые куницы и опоссумы, мангусты и скунсы, псовые, куньи, енотовые, виверровые и кошачьи, в том числе домашний кот, дикая свинья и ошейниковый пекари, западный долгопят (это примат) и даже восточноамериканский крот Scalopus aquaticus. Некоторые из них перекусывают змеями от случая к случаю, другие питаются ими регулярно. Ареалы офиофагов покрывают большую часть регионов, где встречаются ядовитые змеи, за исключением Австралии — там млекопитающие едят ядовитых змей крайне редко или не попадаются за этим занятием.

Внешних признаков, которые позволили бы распознать в млекопитающем офиофага, нет. Ни один из них не питается исключительно змеями: это всеядные животные или неспециализированные хищники. Их масса колеблется от 75 г у восточноамериканского крота до 12 кг у медоеда. Некоторые активны днем, другие ночью или охотятся короткими периодами в течение суток. Кто-то лазает по деревьям, хотя строго древесных видов среди них нет, кто-то живет в норах, однако по-настоящему роющее животное одно — крот. У змееедов короткие лапы и достаточно примитивный зубной ряд с почти одинаковыми резцами, хорошо развитыми клыками и без больших межзубных промежутков. Пищеварительный тракт офиофагов тоже ничем не примечателен. Одно их роднит — способность противостоять змеиным укусам.

Африканский медоед Mellivora capensis Восточноамериканский крот Scalopus aquaticus затаскивает змей под землю— агрессивный хищник. Его рацион на четверть состоит из ядовитых змей, которых он поедает вместе с головой

Считается, что некоторых млекопитающих защищают от укусов физические приспособления: свиней, например, толстая кожа и плотный слой подкожного жира, а ежа — колючки. Однако эксперименты это объяснение не подтверждают, и никакая кожа свинью не спасет.

Безусловно, животным помогает умелое поведение, «у кобры — укус, у мангуста — прыжок». Американский герпетолог Генри Фитч подробно описал, как на змей охотится восточноамериканский крот. Он пожирает медноголовых щитомордников. Взрослая змея длиной 50–100 см ему, конечно, не по зубам, а рептилии первого года жизни в самый раз. Исследователь неоднократно находил кротовые ходы под плоскими камнями, которые могут служить убежищем юным змеям, и предположил, что крот их ест. Свою догадку Фитч проверил экспериментально.

Он держал кротов в неволе и дважды подсаживал к ним щитомордников нескольких месяцев от роду. Змееныши прятались под камни, а крот очень быстро определял, где они находятся, подкапывался под них и утаскивал под землю, даже не вылезая на поверхность. Казалось, что застигнутые врасплох щитомордники просто не могли развернуться в узком туннеле, пока крот их не обездвижит и не съест. Когда в террариум посадили змею второго года жизни, крот и к ней прокопался, однако каким-то образом почувствовал, что добыча для него слишком велика (змеи он не касался) и в панике ретировался. Этого щитомордника оставили в террариуме на несколько дней, но ни один крот больше на него не нападал. Генри Фитч работал в середине прошлого века, когда для экспериментов с животными еще не требовалось согласие этического комитета.

Восточноамериканский крот Scalopus aquaticus затаскивает змей под землю

Правильное обращение со змеей, безусловно, великая вещь, но млекопитающих-офиофагов спасает устойчивость к ядам. Обычно ее исследуют не в естественных условиях, а в лаборатории. Животным вводят разные дозы змеиного яда, а также анализируют биохимические изменения, произошедшие в выдержанной с ядом сыворотке. Иногда такую сыворотку вводят мышам и определяют мышиную смертность: если грызуны выживают, это значит, что сыворотка нейтрализует яд.

У змеиного яда сложный состав, он содержит 30–40 токсинов, относящихся к 8–12 белковым семействам. У представителей семейства гадюковых Viperidae, в которое входят многочисленные гадюки, щитомордники, куфии и гремучии змеи, яды преимущественно геморрагические, они содержат множество разных протеаз — ферментов, которые расщепляют белки, ответственные за целостность сосудов и свертываемость крови. Есть среди них токсины, понижающие давление. Укушенный погибает от системного кровотечения и сердечно-сосудистого коллапаса. В состав яда входят и ферменты, которые разрушают мышечные ткани — на месте укуса развивается некроз.

В ядах змей семейства аспидовых Elapidae (аспиды, кобры, мамба, коралловые змеи) преобладают нейротоксины и кардиотоксины, блокирующие передачу нервного импульса. Нейротоксинами травят свою жертву и некоторые ужи из семейства ужеобразных Colubridae. Их яд обездвиживает жертву и для людей может быть смертелен. Ядовитых ужей называют ложными ужами. Ядовитые зубы этих змей находятся не впереди, а сзади верхней челюсти. Основной компонент яда ложных ужей и аспидовых — α-нейротоксин, который связывает никотиновый ацетилхолиновый рецептор α-1 (nAChR) в нервно-мышечном соединении, вызывая паралич и удушье.

К какому бы классу ни относился яд конкретной змеи, геморрагическому или нейротоксическому, его эффект обусловлен согласованным действием многих токсинов, каждый из которых действует на определенную молекулу. Чтобы обрести устойчивость к яду, все эти токсины нужно обезвредить, поэтому биохимическая защита офиофагов столь же сложна, как и сами яды.

В крови змееедов есть белки, которые связывают токсины и нейтрализуют их. Один из таких белков впервые обнаружили в крови виргинского опоссума и назвали оприном (опоссумный протеазный ингибитор). Этот небольшой белок подавляет активность нескольких металлопротеиназ техасского гремучника Crotalus atrox: одна молекула оприна связывается с одной молекулой фермента и образует неактивный белковый комплекс. Это не единственный сывороточный ингибитор; в крови опоссумов, мангустов, ежей и других офиофагов находят белки, сходные по последовательности с оприном, большинство из них ингибируют змеиные металлопротеиназы, но некоторые подавляют активность других ферментов яда.

Сывороточные ингибиторы не могут нейтрализовать все токсины, поэтому у офиофагов существует и вторая линия обороны. У них слегка изменены последовательности собственных белков, на которые обычно действуют токсины. В их числе факторы свертывания крови, ферменты, защищающие ткани от разрушения, или белки синаптической мембраны. Эти изменения затрудняют взаимодействие с токсином и заметно ослабляют его действие. Так, нейротоксины палестинской и южноамериканской гадюк не могут связаться с синаптической мембраной египетского мангуста. К нейротоксинам устойчивы ежи, мангусты, медоеды, свиньи, ядовитые змеи, которые могут случайно себя укусить, и неядовитые, которые охотно питаются ядовитыми. В их числе представители семейства ужеобразных: муссурана Clelia clelia и королевские змеи рода Lampropeltis.

Королевская синалойская змея Lampropeltis triangulum sinaloae с удовольствием поедает гремучих змей. Она окрашена как аспид, но это камуфляж. На самом деле змея неядовита

Некоторые офиофаги устойчивы не только к змеиным токсинам, что позволяет им поедать и других ядовитых животных. Некоторые при случае едят скорпионов. Гризоны Galictis vittata (хищные млекопитающие семейства куньих), некоторые опоссумы, мангусты и ежи безнаказанно питаются токсичными жабами из рода Bufo.

В 1977 году специалист Университета Адельфи (США) Эдмунд Броди-младший сообщил, что белобрюхие африканские ежи Atelerix albiventris используют жабьи токсины для усиления собственной механической защиты. Кожа Bufo выделяет горький секрет, вызывающий рвоту и обильное слюноотделение. Такая реакция позволяет животному, неосмотрительно схватившему жабу, одуматься, выплюнуть амфибию и очистить рот от яда. Однако еж, прожевав жабу, облизывает свои шипы отравленной слюной. Броди и несколько его сотрудников в случайном порядке втыкали себе под кожу иглы ежа, смоченные спиртом, обычной слюной и слюной с токсином жабы-аги. На собственной шкуре они прочувствовали, что укол отравленной иголкой вызывает сильное жжение, которое продолжается от нескольких минут до часа. Обычная обслюнявленная игла к такому результату не приводит.

Цена безопасности

Невосприимчивость к ядам полезна не только хищникам, которые охотятся на змей, но и животным, которые служат им добычей. Она обнаружена у калифорнийских сусликов, некоторых червяг (это бесхвостые земноводные, внешне напоминающие дождевых червей) и австралийских агамовых ящериц. Среди лягушек устойчивых пока не нашлось. А почему, собственно? Если есть возможность обезвреживать токсины, почему мы позволяем змеям себя травить? Не всякий охотится на змею, но от случайной встречи никто не застрахован.

Однако же устойчивость развилась лишь у тех животных, которые регулярно охотятся на змей или на которых змеи регулярно охотятся, да и то не у всех. И устойчивы они не ко всякому яду вообще, а только к токсинам тех рептилий, с которыми делят территорию, хотя бывают исключения. Опоссумы, жители Нового Света, устойчивы к укусам американских змей, однако яд кобры или африканской шумящей гадюки их убьет. При этом они выдерживают укус восточного щитомордника Gloydius blomhoffii, хотя это змея Старого Света. Животных, абсолютно невосприимчивых ко всем ядам, нет.

Причина в том, что эволюционные возможности охотников на змей и их добычи ограниченны. Многие ферменты змеиного яда по структуре весьма схожи с аналогичными ферментами млекопитающих. Очень сложно выборочно инактивировать токсичные белки, не отключив при этом собственные, жизненно важные протеазы.

Вторая трудность возникает при изменении последовательности белка-мишени. Изменение должно быть таким, чтобы змеиный токсин не мог с ним связаться, но при этом сам белок — рецептор или фактор свертываемости — не утратил своей основной функции. Решить эту сложнейшую задачу в полной мере не удается, за устойчивость к яду приходится расплачиваться.

Примером может служить знакомый нам рецептор nAChR. Это очень важная молекула, и ее последовательность у разных видов консервативна. Одна из мутаций, которая предотвращает связывание рецептора с α-нейротоксином, — N-гликозилирование (присоединение остатка сахара) аминокислоты аспарагина, находящейся в определенной позиции. Вторая возможная мутация — замена пролина на аргинин. Она менее эффективна, чем гликозилирование, и сама по себе не может быть признаком устойчивости; невосприимчивость таких мутантов к ядам проверяют экспериментально. Бородатая агама Pogona vitticeps устойчива к нейротоксину, потому что у нее гликозилирован аспарагин, но при этом она менее подвижна, чем другая агамовая ящерица, Lophognathus gilberti, с пролиновой заменой. Очевидно, изменение последовательности рецептора сказалось на проведении нервного импульса и, приобретя устойчивость к яду, животное потеряло в скорости. Подобные побочные эффекты ограничивают возможности системы детоксикации. По-видимому, невосприимчивость к ядам возникает лишь в тех случаях, когда создаваемые ею преимущества перевешивают неудобства.

Возможно, именно поэтому к змеиным ядам неустойчивы птицы — офиофаги. Они и так в состоянии избежать укуса. Они зорки, ловки и умны, у них толстая защитная чешуя на ногах и перья на теле. Кроме того, птицы обычно охотятся из засады, и рептилия не успевает среагировать. И вообще, змеи вовсе не патологически злобные твари, которые кусают все, до чего могут дотянуться. На самом деле они используют яд преимущественно для охоты, а не для защиты от хищников. В случае опасности змеи затаиваются, используют устрашающую окраску, стараются сбежать или напугать, а кусаются при крайней необходимости. И тогда неопытным охотникам приходится плохо. Исследователям случалось находить молодых мертвых краснохвостых сарычей и ястребов рядом со змеиным гнездом или убитой и недоеденной ядовитой змеей. Птицы явно погибли от укуса: у них обнаружили кровоизлияние и гангрену одной конечности.

Птица-секретарь Sagittarius serpentarius, бродячий ястреб, питается преимущественно змеями, однако не защищена от их яда

Самим же змеям не приходится разрываться между функциональностью и эффективностью. Белки яда вырабатываются в ядовитой железе и изолированы от других тканей и белков. У них единственная функция — ослабить, обездвижить, убить жертву. Поэтому эволюционные возможности змей в этом отношении шире, чем у офиофагов, и они успешно совершенствуют свои токсины, ничем не жертвуя.

Краденый ген

Несмотря на сложности, животные продолжают сражение за ядовитый корм. Противостоят они и растительным токсинам. Чудеса изобретательности в этом нелегком деле демонстрирует табачная белокрылка Bemisia tabaci.

Табачная белокрылка — комплекс, состоящий по крайней мере из 30 неотличимых видов. Это крошечные насекомые длиной один-два миллиметра. И взрослая белокрылка, и ее личинки высасывают соки из растений и заражают их вирусами. Жертвами насекомых могут стать более 600 видов. Избавиться от этого вредителя практически невозможно.

Взрослая табачная белокрылка и ее личинка

Всякое растение по мере сил сопротивляется вредителям. Они синтезируют защитные вещества, но не постоянно, а при необходимости. Если, допустим, томат поражают вирусы или бактерии, растение выделяет летучие вещества, с помощью которых сообщает окрестным томатам: «Кругом зараза, приготовьтесь». И они готовятся, вырабатывая антимикробные и антивирусные соединения, в синтезе которых участвует салициловая кислота. Если же на листьях оказалось слишком много травоядных насекомых, растение посылает другой сигнал, и соседи синтезируют вещества, которые защищают их от пожирателей — это путь жасмоновой кислоты.

Однако белокрылки способны изменять реакцию растения. Белки их слюны заставляют томаты (исследователи под руководством профессора Университета Невшатель Теда Терлинга работали с томатами) выделять вещества, в том числе β-мирцен и β-кариофиллен, запускающие у соседей салициловый путь защиты от патогенов. При этом синтез жасмоновой кислоты и ее производных постепенно слабеет, что делает растения более восприимчивыми к насекомым, включая белокрылку. Личинок на их листьях не больше, чем на контрольных томатах, но они развиваются быстрее.

Другие вредители, в частности гусеницы малой совки, так не умеют. Посаженные на томатные листья, они, как положено, стимулируют путь жасмоновой кислоты. Ученые, однако, не исключают, что белокрылка не обманывает растения и томаты, синтезируя противовирусные соединения, пытаются защититься не от насекомых, а от переносимых ими патогенов. Это еще предстоит проверить.

Обороняясь от вредителей, растение синтезирует фенольные гликозиды — молекулу сахара, соединенную с фенольной молекулой. Фенольные гликозиды влияют на рост, развитие и поведение травоядных насекомых. В борьбе за ресурсы некоторые животные задействуют собственную систему детоксикации, которая связывает токсичные соединения, расщепляет и выводит из организма. Это позволяет им питаться растениями, которые насыщены фенольными гликозидами. Белокрылки тоже обладают системой детоксикации, но она заимствованная.

У растений есть фермент фенольная глюкозидмалонилтрансфераза BtPMaT1, с помощью которой они модифицируют и обезвреживают гербициды. В результате переноса гена между растением (каким именно — не установлено) и табачной белокрылкой насекомые встроили последовательность BtPMaT1 в свой геном, и фермент нейтрализует некоторые фенольные глюкозиды — это вид гликозидов, в которых в качестве сахара выступает глюкоза. Более того, фермент может стимулировать растворение и выведение проглоченных фенольных гликозидов.

В клетках кишечника табачной белокрылки фермент BtPMaT1 присоединяет малонильную группу к фенольным глюкозидам, делая эти соединения безопасными для вредителей

Естественный перенос гена от растения насекомому — случай небывалый, у других членистоногих гена BtPMaT1 нет, нет его даже у близкородственного вида, тепличной белокрылки Trialeurodes vaporariorum, он встречается только в растениях, грибах и геноме табачной белокрылки. Ген начинает работать уже в яйце, а это значит, что он изначально присутствовал в геноме, а не попал в организм личинок вместе с растительным соком. В клетках личинок и взрослых насекомых фермент тоже действует, особенно он активен в клетках кишечника. BtPMaT1 защищает белокрылку от некоторых фенольных глюкозидов, однако не от всех.

Абсолютной защиты не существует, но белокрылке все-таки удалось обернуть против растений их собственное оружие — томаты тоже содержат фенольную глюкозидмалонилтрансферазу. А исследователи теперь размышляют над тем, как использовать ту же стратегию против белокрылки. Ген BtPMaT1можно отключить, скормив вредителям специфическую двухцепочечную РНК dsBtPMaT1. Активность гена после этого снижается вдвое, а у белокрылок, поедающих томатные листья, уменьшается плодовитость и повышается смертность. Если создать томаты, которые синтезируют dsBtPMaT1, белокрылке они придутся не по вкусу. Ударим, так сказать, трансгеном по трансгену.

Природа пока не смогла снабдить ни одно животное абсолютной защитой от ядов. Но, быть может, человеку удастся сломать хотя бы одну систему детоксикации пусть даже временно. Потому что там, где есть яды, непременно возникают и противоядия.

Кандидат биологических наук
Н.Л. Резник