_juvenile_eating_(14232058164).jpg/1280px-Pacific_rattlesnake_(Crotalus_Oreganus)_juvenile_eating_(14232058164).jpg)
Яд у змей и некоторых ящериц — это форма слюны , которая в ходе эволюции преобразовалась в яд . [1] У змей яд развился для убийства или усмирения добычи, а также для выполнения других функций, связанных с питанием. [2] Хотя змеи иногда используют свой яд в целях самообороны, считается, что это не оказало сильного влияния на эволюцию яда. [3] Считается, что эволюция яда ответственна за колоссальное распространение змей по всему миру. [4] [5] [6]
Эволюционная история змеиного яда является предметом споров. Исторически считалось, что змеиный яд эволюционировал один раз, у основания Caenophidia , или производных змей. Молекулярные исследования, опубликованные начиная с 2006 года, предполагают, что яд возник только один раз среди предполагаемой клады рептилий, называемой Toxicofera , примерно 170 миллионов лет назад. [7] Согласно этой гипотезе, исходный яд токсикоферана представлял собой очень простой набор белков, которые были собраны в паре желез. Впоследствии этот набор белков диверсифицировался в различных линиях токсикоферан, включая Serpentes, Anguimorpha и Iguania : несколько линий змей также утратили способность вырабатывать яд. [8] [9] Гипотеза токсикоферана была подвергнута сомнению исследованиями середины 2010-х годов, включая исследование 2015 года, которое обнаружило, что белки яда имели гомологов во многих других тканях бирманского питона . [10] [11] Таким образом, исследование предположило, что яд развивался независимо у разных линий рептилий, в том числе у змей Caenophid. [10] Считается, что яд, содержащий большинство существующих семейств токсинов, присутствовал у последнего общего предка Caenophidia: эти токсины впоследствии претерпели огромную диверсификацию, сопровождавшуюся изменениями в морфологии ядовитых желез и системах доставки. [12]
Эволюция змеиного яда, как полагают, обусловлена эволюционной гонкой вооружений между белками яда и физиологией добычи. [13] Считается, что общим механизмом эволюции является дупликация генов , за которой следует естественный отбор адаптивных признаков . [14] Адаптации, производимые этим процессом, включают яд, более токсичный для определенной добычи в нескольких линиях, [15] [16] [17] белки, которые предварительно переваривают добычу, [18] и метод отслеживания добычи после укуса. [19] Эти различные адаптации яда также привели к значительным дебатам об определении яда и ядовитых змей. [20] Изменения в рационе линии были связаны с атрофификацией яда. [8] [9]
Считается, что происхождение яда послужило катализатором для быстрого разнообразия змей в кайнозойский период, [21] в частности, для ужеобразных и их колонизации Америки . [ 5] Ученые предполагают, что причиной этого огромного расширения был переход от механического к биохимическому способу подавления добычи. [22] [23] Яды змей атакуют биологические пути и процессы, которые также являются мишенью ядов других таксонов; например, блокаторы кальциевых каналов были обнаружены у змей, пауков и конусных улиток , что позволяет предположить, что яд демонстрирует конвергентную эволюцию . [24] Яд распространен среди производных семейств змей. [13] Считается, что яд , содержащий большинство существующих семейств токсинов, присутствовал у последнего общего предка Caenophidia , также называемого Colubroidea. Эти токсины впоследствии претерпели колоссальную диверсификацию, сопровождавшуюся изменениями в морфологии ядовитых желез и системах доставки. Эта диверсификация связана с быстрой глобальной радиацией продвинутых змей. [12] Трубчатые или бороздчатые клыки, которые змеи используют для доставки своего яда к своей цели, эволюционировали многократно и являются примером конвергентной эволюции . Считается, что трубчатые клыки, характерные для переднезубых змей, эволюционировали независимо у Viperidae , Elapidae и Atractaspidinae . [25]
Кладограмма, адаптированная из работы Фрая и др. (2012), показывающая подмножество предполагаемых событий рекрутирования белков. [A]: 13 семейств токсинов, включая 3FTx и металлопротеазу . [B]: 2 семейства токсинов, включая PLA2 типа IIA и класс P-II металлопротеаз змеиного яда. [C]: 2 семейства токсинов, включая PLA2 типа IB. [26] [27]
До тех пор, пока использование секвенирования генов для создания филогенетических деревьев не стало практичным, филогении создавались на основе морфологии . Такие традиционные филогении предполагали, что яд возник вдоль нескольких ветвей среди Squamata примерно 100 миллионов лет назад: у Caenophidia , или производных змей, и у ящериц рода Heloderma . [7] [10] [28] Исследования с использованием последовательностей ядерных генов в середине 2000-х и начале 2010-х годов обнаружили наличие белков яда в кладах ящериц Anguimorpha и Iguania, похожих на таковые у змей, и предположили, что вместе с Serpentes они образовали кладу , которую они назвали « Toxicofera ». [7] [28] Это привело к теории, что яд возник только один раз в пределах всей линии примерно 170 миллионов лет назад. Этот предковый яд был описан как состоящий из очень простого набора белков, собранных в паре желез. [7] Яды различных линий затем диверсифицировались и развивались независимо, вместе с их способами введения яда в добычу. [7] Эта диверсификация включала независимую эволюцию доставки яда передними клыками от предковой системы доставки яда задними клыками. [29] Гипотеза единого происхождения также предполагает, что системы яда впоследствии атрофировались или были полностью утрачены независимо в ряде линий. [20] Филогенетическое положение Iguania в пределах Toxicofera подтверждается большинством молекулярных исследований, но не морфологическими. [30]
«Гипотеза токсикоферана» впоследствии была подвергнута сомнению. Исследование, проведенное в 2014 году, показало, что гомологи 16 белков яда, которые использовались для поддержки гипотезы единого происхождения, все были выражены на высоком уровне в ряде тканей организма. [11] Поэтому авторы предположили, что предыдущее исследование, которое обнаружило, что белки яда сохраняются в предполагаемой линии токсикоферана, могло неверно истолковать присутствие более общих генов «домашнего хозяйства» в этой линии, в результате отбора проб только определенных тканей в телах рептилий. Поэтому авторы предположили, что вместо того, чтобы эволюционировать только один раз в предковой рептилии, яд развивался независимо в нескольких линиях, в том числе один раз до радиации «продвинутых» змей. [11] Исследование 2015 года показало, что гомологи так называемых «токсичных» генов присутствовали в многочисленных тканях неядовитой змеи, бирманского питона . Один из авторов заявил, что они обнаружили гомологи генов яда во многих тканях за пределами ротовых желез, где можно было бы ожидать гены яда. Это продемонстрировало слабость анализа только транскриптомов (общей информационной РНК в клетке). [10] Команда предположила, что питоны представляли собой период в эволюции змей до развития основного яда. Исследователи также обнаружили, что расширение семейств генов яда произошло в основном у очень ядовитых змей-каенофидий (также называемых «змеями-колубридами»), таким образом предполагая, что большая часть эволюции яда произошла после того, как эта линия отделилась от других змей. [10] Дебаты по гипотезе токсикоферана частично вызваны разногласиями по поводу определения яда. [10] [31] По состоянию на 2022 год гипотеза токсикоферана остается преобладающей точкой зрения. [32]
Считается, что основным механизмом диверсификации яда является дупликация генов, кодирующих другие ткани, с последующей их экспрессией в ядовитых железах. Затем белки эволюционировали в различные белки яда посредством естественного отбора. Этот процесс, известный как модель рождения и смерти, отвечает за несколько событий набора белков в яде змеи. [33] [13] Эти дупликации произошли в различных типах тканей с рядом наследственных функций. Известные примеры включают 3FTx , наследственный нейротрансмиттер, обнаруженный в мозге, который адаптировался в нейротоксин, связывающий и блокирующий ацетилхолиновые рецепторы . Другим примером является фосфолипаза A2 (PLA2) типа IIA, наследственно связанная с воспалительными процессами в нормальной ткани, которая эволюционировала в яд, способный вызывать активность липазы и разрушение ткани. [21] Изменение функции PLA2, в частности, было хорошо задокументировано; есть доказательства нескольких отдельных событий дупликации генов, часто связанных с происхождением новых видов змей. [34] Неаллельная гомологичная рекомбинация, вызванная вторжением транспозона (или рекомбинация между последовательностями ДНК, которые похожи, но не аллели ), была предложена в качестве механизма дупликации генов PLA2 у гремучих змей, как объяснение его быстрой эволюции. [35] Эти белки яда также иногда рекрутировались обратно в гены тканей. [36]
Дупликация генов — не единственный способ, которым яд стал более разнообразным. Были случаи, когда новые белки яда генерировались путем альтернативного сплайсинга . Например, змея- элапид Bungarus fasciatus обладает геном, который альтернативно сплайсируется, чтобы дать как компонент яда, так и физиологический белок. [36] Дальнейшая диверсификация могла произойти из-за потери генов определенных компонентов яда. Например, считается, что предок гремучей змеи имел гены PLA2 для гетеродимерного нейротоксина, который сейчас обнаружен у Crotalus scutulatus, но эти гены отсутствуют у современных ненейротоксичных видов Crotalus ; гены PLA2 для миотоксина Lys49, предположительно существующего у общего предка гремучих змей, также несколько раз терялись в недавних линиях к существующим видам [35] Потеря домена также была связана с неофункционализацией яда. Исследование эволюционной истории генов яда SVMP гадюк выявило повторные случаи потери домена в сочетании со значительным положительным отбором в большинстве филогенетических ветвей, где, как считалось, произошла потеря домена. [37] Ядовитые токсины также эволюционировали посредством «захвата» гена или «кооптирования» или изменения функции неродственных генов. Исследование 2021 года показало, что кооптирование объясняет эволюцию большинства типов токсинов, но не токсинов, которые наиболее распространены в яде змей. [27]
События рекрутирования белков происходили в разные моменты эволюционной истории змей. Например, семейство белков 3FTX отсутствует в родословной гадюк, что позволяет предположить, что оно было рекрутировано в змеиный яд после того, как змеи-гадюки отделились от оставшихся ужеобразных. [38] Считается, что PLA2 был рекрутирован в змеиный яд по крайней мере два раза, один раз у аспид и один раз у гадюк, что демонстрирует конвергентную эволюцию этого белка в токсин. [39] [40] Исследование 2019 года показало, что дупликация генов могла позволить различным токсинам развиваться независимо, позволяя змеям экспериментировать с профилями своего яда и исследовать новые и эффективные формулы яда. [40] Это было предложено как один из способов, с помощью которых змеи диверсифицировали формулы своего яда на протяжении миллионов лет эволюции. [40] Различные события рекрутирования привели к тому, что змеиный яд превратился в очень сложную смесь белков. Например, яд гремучих змей включает в себя около 40 различных белков из разных семейств белков, [41] а в ядах других змей обнаружено более 100 различных белков. [22] Было показано, что состав этой смеси варьируется в зависимости от географического положения и связан с видами добычи, доступными в определенном регионе. [17] Яд змей, как правило, эволюционировал очень быстро, причем изменения в яде происходили быстрее, чем в остальном организме. [42]
Долгосрочные гипотезы эволюции змеиного яда предполагали, что большинство змей вводят гораздо больше яда в свою добычу, чем требуется для ее убийства; таким образом, состав яда не будет подвержен естественному отбору. Это известно как гипотеза «избыточного убийства». [43] Однако недавние исследования молекулярной истории змеиного яда опровергли это, обнаружив вместо этого доказательства быстрой адаптивной эволюции во многих различных кладах, включая ковровых гадюк, Echis , [44] наземных гремучих змей, Sistrurus , [41] и малайскую ямкоголовую змею , [45] , а также в целом в диверсификации белков PLA2. [34] Существуют филогенетические доказательства положительного отбора и быстрых темпов приобретения и потери генов в генах яда таксонов Sistrurus , питающихся разной добычей. [46] По состоянию на 2019 год имелись доказательства как «чрезмерного уничтожения», происходящего в некоторых линиях, так и быстрой адаптивной эволюции и эволюционной гонки вооружений с физиологией добычи во многих других. [47]
Гены, кодирующие белки яда у некоторых родов змей, имеют долю синонимичных мутаций , которая ниже, чем можно было бы ожидать, если бы яд развивался посредством нейтральных эволюционных процессов ; однако, во многих случаях было обнаружено, что частота несинонимичных мутаций выше, что указывает на направленный отбор. [34] Кроме того, выработка змеиного яда является метаболически затратной для змеи, что ученые предположили как дополнительное доказательство того, что на змеиный яд существует давление отбора (в данном случае, чтобы минимизировать объем требуемого яда). [43] Использование модельных организмов , а не естественной добычи змей, для изучения токсичности добычи, было предложено в качестве причины, по которой гипотеза «чрезмерного убийства» могла быть переоценена. [48] Однако было обнаружено, что род ямкоголовых змей Agkistrodon является исключением из этого правила; Было обнаружено, что состав яда Agkistrodon связан с положением вида в филогении, что позволяет предположить, что эти яды развивались в основном посредством нейтральных процессов ( мутации и генетический дрейф ), и что могут быть значительные различия в давлении отбора на различные змеиные яды. [49]
Несколько исследований обнаружили доказательства того, что яд и устойчивость к яду у видов добычи развились в ходе коэволюционной гонки вооружений . [43] Например, лесные крысы рода Neotoma обладают высокой степенью устойчивости к яду гремучих змей, что позволяет предположить, что крысы развились в ответ на змеиный яд, тем самым возобновив давление отбора на змей. [41] Устойчивость к ядам симпатрических хищных видов змей была обнаружена у угрей, [50] сусликов, [51] скальных белок, [52] и восточных серых белок. [53] Все эти исследования предполагают коэволюционную гонку вооружений между добычей и хищником, что указывает на еще одно потенциальное давление отбора на змеиный яд с целью увеличения или обновления токсичности. Считается, что давление отбора на змеиный яд отбирает функциональное разнообразие в белках яда как внутри данного вида, так и между видами. [54] Помимо физиологии добычи, существуют доказательства того, что змеиный яд развился в ответ на физиологию хищников. [13]
Помимо диеты, существуют и другие возможные факторы, влияющие на состав змеиного яда. Исследование 2019 года показало, что большая масса тела и меньшие экологические среды обитания коррелируют с повышенным выходом яда. [47] Другое исследование показало, что погода и температура имеют более сильную корреляцию со змеиным ядом, чем диета или типы добычи. [55] Хотя ядовитые змеи используют свои яды для защиты (отсюда и проблема укусов змей у людей), не очень хорошо известно, в какой степени естественный отбор для защиты повлиял на эволюцию яда. Было обнаружено, что яды техасской коралловой змеи, Micrurus tener , и других видов Micrurus содержат токсины со специфической болеутоляющей активностью, что предполагает защитную функцию. [56] Однако анкетный опрос пациентов с укусами змей, укушенных самыми разными ядовитыми видами, показал, что боль после большинства укусов змей наступает медленно, что свидетельствует против широко распространенного отбора для защиты. [3] Выплевывание яда, демонстрируемое некоторыми видами плюющихся кобр, является исключительно защитной адаптацией. Исследование 2021 года показало, что яды всех трех линий плюющихся кобр конвергентно развили более высокие уровни активации сенсорных нейронов (т. е. вызывают больше боли), чем яды неплюющихся кобр, посредством синергического действия цитотоксинов и токсинов фосфолипазы А2 , что указывает на отбор в пользу защитной функции. [57]
В отличие от состава яда и токсичности для определенных линий, выход яда или количество яда, вырабатываемого отдельной змеей, не было обнаружено, чтобы меняться в зависимости от массы тела животных-жертв, а вместо этого меняться в зависимости от массы тела змей, вырабатывающих его. Выход увеличивается с массой тела змеи в соответствии с гипотезой о том, что змеи вкладывают постоянную долю метаболического выхода в выработку яда, что является метаболически затратным. [47]
.JPG/1280px-Mangrovennachtbaumnatter_(Boiga_dendrophila).JPG)
Змеи используют свой яд, чтобы убивать или усмирять добычу, а также для других функций, связанных с питанием, таких как пищеварение. Современная научная теория предполагает, что змеиный яд не используется для защиты или для конкуренции между членами одного вида, в отличие от других таксонов. Таким образом, адаптивная эволюция змеиного яда привела к нескольким адаптациям в отношении этих функций, связанных с питанием, которые повышают приспособленность змей, которые их переносят. [58] [43] [17] Это также отражается в вариациях в составе яда внутри вида; известно, что яд различается географически, а также по возрасту и размеру, что, вероятно, отражает вариации в добыче, потребляемой различными группами внутри вида. [13] Географические вариации также присутствуют на уровне видов; островные змеи, как правило, имеют менее сложные яды, в то время как те, которые живут в высокопродуктивных местах обитания, имеют более сложные яды, что предполагает биогеографическую закономерность . [59]
Яд, который токсичен только для определенного таксона или сильно токсичен только для определенного таксона, был обнаружен у ряда змей, что позволяет предположить, что эти яды эволюционировали путем естественного отбора, чтобы подавлять предпочтительные виды добычи. Примеры этого явления были обнаружены у мангровой змеи Boiga dendrophila , яд которой особенно токсичен для птиц, [48] а также у родов Echis и Sistrurus и у морских змей. Яд Spilotes sulphureus , который состоит из двух компонентов, один из которых токсичен для ящериц, но нетоксичен для млекопитающих, в то время как другой токсичен для млекопитающих и нетоксичен для ящериц. [60] Однако, хотя несколько змей обладают ядом, который очень токсичен для их предпочтительных видов добычи, обратная корреляция не обязательно верна: яды нескольких змей токсичны для таксонов, которые они не потребляют в больших пропорциях. Большинство змеиных ядов, например, очень токсичны для ящериц, хотя доля добычи ящериц варьируется среди видов змей. Это привело исследователей к предположению, что токсичность для определенного таксона почти не зависит от токсичности для другого отдаленно родственного таксона. [41]
Естественные диеты змей из широко распространенного рода гадюк Echis весьма разнообразны и включают членистоногих , таких как скорпионы , а также позвоночных. Различные виды Echis потребляют разное количество членистоногих в своем рационе. [61] Исследование 2009 года вводило скорпионам яд различных видов Echis и обнаружило высокую корреляцию между долей членистоногих, которых змеи потребляли в своей естественной среде обитания, и токсичностью их яда для скорпионов. [44] Исследователи также нашли доказательства того, что эволюция яда, более токсичного для членистоногих, была связана с увеличением доли членистоногих в рационе змей, и что рацион и яд могли эволюционировать в процессе коэволюции . Филогения рода, построенная с использованием митохондриальной ДНК, показала, что один случай изменения состава яда у вида, являющегося предком всех змей Echis , коррелировал с переходом на диету, основанную на членистоногих, тогда как другой сдвиг в более поздней линии коррелировал с переходом на диету, основанную на позвоночных . [62] Несмотря на более высокую токсичность яда видов, потребляющих членистоногих, не было обнаружено, что он выводит из строя или убивает добычу быстрее, чем яд видов с меньшим количеством членистоногих в рационе. Таким образом, считается, что яд эволюционировал, чтобы минимизировать требуемый объем, поскольку производство яда влечет за собой значительные метаболические затраты, тем самым обеспечивая преимущество в приспособленности. [62] Эта закономерность также обнаруживается в других линиях. [63] Аналогичные результаты были получены в исследовании 2012 года, которое показало, что яд видов Echis , потребляющих членистоногих , был более токсичным для саранчи, чем яд видов, потребляющих позвоночных. [64]
Исследование яда четырех видов змей рода Sistrurus , проведенное в 2009 году, выявило значительные различия в токсичности для мышей. [41] Эти различия были связаны с долей мелких млекопитающих в рационе этих видов. [41] Идея о том, что яд рода Sistrurus эволюционировал, чтобы приспособиться к рациону, основанному на млекопитающих, была поддержана филогенетическим анализом. Исследователи предположили, что основой разницы в токсичности была разница в мышечной физиологии у различных животных-жертв. [41] Две линии змей- элапид , обыкновенные морские змеи и морские крайты рода Laticauda , независимо колонизировали морскую среду и перешли на очень простую диету, основанную на костистых рыбах или лучеперых рыбах. [17] Исследование, проведенное в 2005 году, показало, что обе эти линии имеют гораздо более простой набор белков яда, чем их наземные родственники на австралийском континенте , которые имеют более разнообразную и сложную диету. [17] Эти результаты были подтверждены исследованием 2012 года, в котором сравнивались яды Toxicocalamus longissimus , наземного вида, и Hydrophis cyanocinctus , морского вида, оба из подсемейства Hydrophiinae (которое также входит в семейство Elapid). Несмотря на близкое родство друг с другом, морские виды имели значительно более простой набор белков яда. [16] Яды морских змей, тем не менее, являются одними из самых токсичных известных ядов. Утверждалось, что, поскольку морские змеи, как правило, не способны предотвратить побег укушенной добычи, их яды эволюционировали, чтобы действовать очень быстро. [65]
Различные подвиды рода гремучих змей Crotalus вырабатывают яды, которые выполняют две противоречивые функции. Яд обездвиживает добычу после укуса, а также помогает пищеварению, разрушая ткани до того, как змея съест свою добычу. [18] Как и у других членов семейства Viperidae , яды Crotalus нарушают гомеостатические процессы у животных-жертв. Однако среди видов Crotalus существует большое разнообразие составов ядов . Исследование 2010 года обнаружило 100-кратную разницу в количестве металлопротеиназной активности среди различных змей, причем Crotalus cerberus имеет самую высокую активность, а Crotalus oreganus concolor — самую низкую. Также наблюдалось 15-кратное изменение в количестве протеазной активности, причем C. o. concolor и C. cerberus имеют самую высокую и самую низкую активность соответственно. [18]
Активность металлопротеиназы вызывает кровоизлияние и некроз после укуса змеи, процесс, который способствует пищеварению. Активность протеаз, с другой стороны, нарушает функцию тромбоцитов и мышц и повреждает клеточные мембраны , и, таким образом, способствует быстрой смерти животного-жертвы. [18] Исследование показало, что яды Crotalus делятся на две категории: те, которые благоприятствуют металлопротеиназам (тип I), и те, которые благоприятствуют протеазам (тип II). Исследование заявило, что эти функции по сути являются взаимоисключающими; яды были выбраны на основе либо их токсичности, либо их смягчающего потенциала. Исследователи также выдвинули гипотезу, что причина этой дихотомии заключается в том, что яд с высокой нейротоксичностью , такой как яд типа II, быстро убивает животное, не давая относительно медленно действующей металлопротеиназе переваривать ткани. [18]
Другим примером адаптивной функции, отличной от обездвиживания добычи, является роль яда гадюки в том, что она позволяет змее отслеживать укушенное ею животное, процесс, известный как «перераспределение добычи». Эта важная адаптация позволила гремучим змеям развить механизм укуса «удар и отпущение», который дал змеям огромное преимущество, сводя к минимуму контакт с потенциально опасными животными-добычей. [19] Однако эта адаптация затем требует, чтобы змея выслеживала укушенное животное, чтобы съесть его, в среде, полной других животных того же вида. Исследование 2013 года показало, что западные гремучие змеи ( Crotalus atrox ) активнее реагировали на мышиные трупы, которым вводили сырой яд гремучей змеи. Когда различные компоненты яда были разделены, змеи реагировали на мышей, которым вводили два вида дезинтегринов . Исследование пришло к выводу, что эти белки дезинтегринов отвечали за то, чтобы змеи могли отслеживать свою добычу, изменяя запах укушенного животного. [19]
Яд у ряда линий змей, как полагают, атрофировался в ответ на изменения в рационе питания. [7] Исследование 2005 года на мраморной морской змее Aipysurus eydouxii показало, что ген трехпалого белка, обнаруженного в яде, претерпел делецию двух нуклеотидных оснований , что сделало яд в 50–100 раз менее токсичным, чем раньше. Это изменение коррелировало с изменением рациона с рыбы на рацион, состоящий почти полностью из икры рыб, что предполагает, что адаптация к яичной диете устранила давление отбора, необходимое для поддержания высокотоксичного яда, что позволило генам яда накапливать вредные мутации. [17] [66] Подобная деградация яда после перехода на рацион на основе яиц была обнаружена у обыкновенного яйцееда Dasypeltis scabra , рацион которого полностью состоит из яиц птиц, что означает, что змея не использовала свой яд. Это привело биологов к предположению, что если яд не используется видом, он быстро теряется. [67]
Медиа, связанные с Эволюцией змеиного яда на Wikimedia Commons