كيف تكيّفت البرمائيات السامة لتعيش مع سمومها؟

كوكب الأرض غني بالبرمائيات الجميلة والقاتلة، من الضفادع السامّة ذات الألوان الزاهية في قارة أميركا الجنوبية إلى السمادل المائية التي تشبه حيوانات ما قبل التاريخ في غرب الولايات المتحدة. يمكن أن تكون بضعة مليغرامات من سم تيترودوتوكسين الخاص بالسلمندر المائي قاتلة، كما تحتوي أجسام بعض أنواع الضفادع على أكثر السموم فعالية في الطبيعة.

ازداد اهتمام العلماء في السنوات الأخيرة بدراسة البرمائيات السامة، وبدؤوا بحل الألغاز المتعلقة بهذه الحيوانات. على سبيل المثال، كيف تتجنّب هذه الحيوانات تسميم نفسها عندما تسمم فرائسها؟ والأنواع التي تتناول السموم لتصبح سامة؛ كيف تنقل هذه السموم من بطونها إلى جلودها بالضبط؟

يعتبر منشأ السموم بحد ذاته غامضاً في بعض الحالات؛ في حين أن هناك برمائيات تحصل على السموم من نظامها الغذائي، ويحصل العديد من الكائنات السامة على السموم من البكتيريا التكافلية التي تعيش على الجلد، هناك بعض الأنواع التي تركّب السموم بنفسها بينما تعجز الأنواع الأخرى عن ذلك، ما دفع العلماء إلى إعادة النظر في بعض الفرضيات التقليدية.

آليات دفاعية قاتلة

استخدمت الحيوانات السموم وسائل دفاعية في الكثير من الحالات خلال التاريخ التطوري الطويل على كوكب الأرض. على عكس السموم التي تفرزها أجسام الحيوانات -وتسمى (venoms)- وتحقنها في فرائسها بأنيابها أو إبرها أو أشواكها أو غير ذلك من البُنى التي تطورت لأغراض هجومية أو دفاعية، ثمة مركبات سامة دفاعية عموماً -تسمى بالإنجليزية (poisons)- تصنعها كائنات حية ويجب ابتلاعها أو امتصاصها كي تفعل فعلها.

تُخزّن البرمائيات عادة سمومها داخل جلدها أو عليه، ويُفترض أنها تفعل ذلك لتزيد من احتمالية ردع الحيوانات المفترسة أو إعاقتها عن افتراسها أو إصابتها بجروح خطيرة. يعتبر العديد من أكثر سموم هذه الحيوانات فعالية، مثل تيترودوتوكسين وإيبيباتيدين وبوفوتوكسين، سموماً تستهدف البروتينات في الخلايا أو تحاكي وظيفة الجزيئات الضرورية التي ترسل الإشارات الكيميائية، ما يتسبب باضطراب الوظيفة الطبيعية للخلايا.

لهذا السبب، تعتبر هذه السموم فعالة للغاية في ردع مجموعة متنوعة من المفترسات، ولكن ثمة مشكلة في امتلاك آلية فعالة مثل هذه، إذ تحتوي أجسام الحيوانات السامة أيضاً على البروتينات التي يمكن استهدافها؛ إذاً لماذا لا تتسمم هذه الحيوانات بسمومها أيضاً؟

طرحت هذا السؤال عالمة الأحياء المتخصصة في علم الأحياء التطوري، ريبيكا تارفين (Rebecca Tarvin) عندما كانت طالبة في مرحلة الدراسات العليا في جامعة تكساس في مدينة أوستن الأميركية. اختارت تارفين دراسة سم إيبيباتيدين، وهو أحد أكثر السموم فعالية من المركبات المعروفة التي تستخدمها الضفادع السامة والتي يتجاوز عددها الألف مركّب. يوجد هذا السم في أنواع مثل ضفدع السهم السام أنتوني (Epipedobates anthonyi)، وهو ضفدع صغير له لون ضارب إلى الحمرة ويحتوي جسمه على بقع وخطوط بيضاء مخضرة فاتحة. يرتبط سم إيبيباتيدين بأحد مستقبلات جزيء مصدرٍ للإشارات العصبية يحمل اسم أسيتيل كولين وينشّطه، يمكن أن يتسبب هذا التنشيط غير السليم بنوبات تشنج عضلي شديدة ثم شلل وتفضي في النهاية إلى الموت.

افترضت تارفين أن الضفادع طوّرت مقاومة للمواد السامة مثلها مثل بعض الحيوانات السامة الأخرى، وحددت هي وزملاؤها الطفرات في مورثات تتعلق بمستقبل الناقل العصبي، أسيتيل كولين، في 3 مجموعات من الضفادع السامة، ثم قارنت نشاط المستقبل في بيوض الضفادع بوجود الطفرة وغيابها؛ لاحظ الفريق أن الطفرات غيّرت شكل المستقبل قليلاً، ما خفض من قدرة سم إيبيباتيدين على الارتباط وحدّ من آثاره السمية العصبية.

تساعد هذه النتائج في حل إحدى المشكلات، ولكنها تثير مشكلة جديدة؛ يفترض أن هذه الطفرات ستمنع ناقل أسيتيل كولين أيضاً من الارتباط بفعالية، ما قد يؤدي إلى اضطراب الوظيفة الطبيعية للجهاز العصبي. لكن لاحظت تارفين أن كل نوع من أنواع الضفادع المدروسة يمتلك طفرة أخرى في بروتين المستقبل تغير أيضاً شكل المستقبل بطريقة تتيح للناقل أسيتيل كولين الارتباط وتمنع سم إيبيباتيدين من الارتباط، ما يحل المشكلة. تقول تارفين إن "هذه الطفرات هي سلسلة من التعديلات البسيطة للغاية" التي تجعل المستقبل أقل حساسية للإيبيباتيدين دون أن تؤثر على الوظائف العصبية المعتادة التي يؤديها الناقل أسيتيل كولين.

يعمل سم إيبيباتيدين، وهو سمّ عالي الفعالية يستخدمه بعض أنواع الضفادع السامة، من خلال الارتباط بمستقبلات الناقل العصبي أسيتيل كولين (على اليسار)، يؤدي ذلك إلى تنشيط المستقبل على نحو غير سليم، ما يؤدي بدوره إلى اضطراب النشاط العصبي الطبيعي. تكيّفاً مع وجود هذا السم، تمتلك الضفادع السامة طفرة في مستقبل الناقل العصبي أسيتيل كولين تغير شكل هذا المستقبل بطريقة تمنع سم إيبيباتيدين من الارتباط بفعالية (في وسط الصورة)، ولكنها تمنع أسيتيل كولين من الارتباط أيضاً. لذلك، طورت الضفادع طفرة ثانية في شكل المستقبل تمنح أسيتيل كولين القدرة على الارتباط مع المستقبل وتمنع سم إيبيباتيدين من الارتباط، ما يعيد الوظيفة العصبية إلى وضعها الطبيعي.

تعمل تارفين حالياً في جامعة كاليفورنيا بمدينة بيركلي، وتبحث في طرق تكيّف الحيوانات مع السموم مستعينة بكائنات تجريبية يُعتبر تتبّعها أسهل، وهي ذباب الفاكهة. غذّت تارفين وزملاؤها سلالتين من الذباب بطعام يحتوي على النيكوتين السام لتحقيق هذه الغاية، مع العلم أن السلالتين المدروستين تتمتعان بقدرات متفاوتة على تفكيك النيكوتين.

عندما عرّض الباحثون يرقات الذباب للحيوانات المفترسة، وهي مجموعة من الزنابير الطفيلية التي تضع بيوضها في الذباب، ساعد النيكوتين السام على حماية مجموعتي الذباب من خلال قتل بعض الطفيليات النامية. مع ذلك، استفاد الذباب القادر على إجراء عملية الاستقلاب بسرعة أكبر فقط من النيكوتين السام، وذلك لأن الذباب الذي يجري هذه العملية ببطء تسمّمَ بالنيكوتين.

تعمل تارفين مع طلابها الآن على إجراء تجربة لاكتشاف إذا ما كان بالإمكان تحفيز تطوّر التكيّفات، مثل تلك التي اكتشفتها في بروتينات الضفادع السامة، من خلال تعريض أجيال من الذباب للنيكوتين والزنابير، ثم إنسال الذباب الذي يتمكن من البقاء.

البحث عن السموم

تَحمُّل المواد السامة الذاتية ليس التكيف الوحيد الضروري بالنسبة للحيوانات السامة؛ إذ يحتاج العديد منها أيضاً إلى آلية لنقل هذه السموم بأمان عبر الجسم للأماكن التي تحتاج إلى الحماية. على سبيل المثال، تحتاج الضفادع السامة، التي تحصل على سمومها من بعض أنواع النمل والسوس التي تتغذّى عليها، إلى نقل السموم من أمعائها إلى غددها الجلدية.

تحاول طالبة الدكتوراة في علم الأحياء في جامعة ستانفورد، أورورا ألفاريز-بويا (Aurora Alvarez-Buylla)، تحديد المورثات والبروتينات التي تستخدمها الضفادع لإجراء عملية النقل هذه، فاستخدمت هي وزملاؤها جزيئاً صغيراً تصفه بأنه "خطاف صيد" لالتقاط البروتينات التي ترتبط بنوع من السموم، يحمل اسم بوميليوتوكسين (pumiliotoxin) ويمكن أن تبتلعه الضفادع. يأخذ أحد طرفي الخطاف شكل سم بوميليوتوكسين، بينما يحمل الطرف الآخر صباغاً متألقاً، وعندما يتشبّث البروتين الذي يرتبط عادة بسم بوميليوتوكسين بالخطاف الذي يشبه هذا السم، يستطيع الباحثون تحديد نوع هذا البروتين باستخدام الصباغ.

تحصل الضفادع السامة مثل النوع المبيّن في الصورة على سمومها من الحيوانات التي تتغذّى عليها. ويستخدم العلماء جزيئات تشبه الخطافات وأصباغاً متألقة لاكتشاف الطريقة التي تنقل فيها هذه الضفادع السموم من أمعائها إلى جلده. المصدر: تيمو فولز/أنسبلاش

توقعت ألفاريز-بويا أن يلتقط الخطاف بروتينات شبيهة ببروتين ساكسيفيلين (saxiphilin)، الذي يُعتقد أنه يؤدي دوراً في نقل السموم في أجسام الضفادع، أو البروتينات الأخرى التي تنقل الفيتامينات (تُمتص الفيتامينات من الغذاء عادة وتُنقل في جميع أنحاء الجسم، مثلها مثل السموم). اكتشفت ألفاريز-بويا وزملاؤها بدلاً من ذلك نوعاً جديداً من البروتينات يشبه بروتيناً يوجد في أجسام البشر وينقل هرمون الكورتيزول، ولاحظوا أن هذا الناقل الجديد يمكن أن يرتبط بالعديد من أشباه القلويّات السامة الموجودة في أنواع مختلفة من الضفادع السامة. تقول المشرفة على رسالة الدكتوراة التي تقدمها ألفاريز-بويا في جامعة ستانفورد والمؤلفة المشاركة للدراسة الجديدة (التي لم تخضع لمراجعة الأقران بعد)، لورين أوكونل (Lauren O’Connell)، إن هذا التشابه يشير إلى أن الضفادع تستخدم نظام نقل الهرمونات لنقل السموم أيضاً.

وتقول إن هذا قد يفسّر عدم تسمّم الضفادع بسمومها. تتفعّل الهرمونات عادة فقط عندما يفصلها إنزيم ما عن حواملها، ما يتسبب بإطلاقها في مجرى الدم، وبالمثل، قد يرتبط البروتين المكتشف حديثاً بسم بوميليوتوكسين مع السموم الأخرى ويمنعها من التفاعل مع الأجزاء التي يمكن أن تتسبب بالضرر فيها من الجهاز العصبي للضفادع. يُحرر البروتين الحامل للسموم هذه السموم عندما تصل إلى المنطقة المناسبة في جلد الضفادع، وهي الغدد الجلدية التي تُخزِّن هذه السموم بأمان.

يهدف العلماء في الأبحاث المستقبلية إلى فهم الطريقة التي يرتبط فيها البروتين الجديد بأنواع مختلفة من السموم بدقة. ترتبط البروتينات الأخرى التي ترتبط بالسموم، مثل ساكسيفيلين، عادة مع نوع واحد من السموم فقط بشكل وثيق، تقول أوكونل: "يتميز هذا البروتين بأنه يرتبط بأكثر من نوع من السموم على نحو عشوائي قليلاً، ولكنه انتقائي إلى حد ما. ما تفسير ذلك؟".

اكتساب السميّة

في حين تحصل الضفادع السامة على السموم من طعامها، فإن مصدر السموم التي تستخدمها البرمائيات الأخرى ليس واضحاً دائماً. يبدو أن البرمائيات مثل العلاجيم تركّب سمومها بنفسها.

لإثبات ذلك، أفرغ عالم الأحياء المتخصص بعلم الأحياء التطوري في جامعة دنفر، تي جيه فيرنينو (TJ Firneno)، وزملاؤه الغدد السامة لـ 10 أنواع من الضفادع يدوياً من خلال عصر الغدد، يقول فيرنينو: "يشبه الأمر عصر بثرة"، وهي عملية لا تضر بالضفادع. فحص الباحثون بعد ذلك المورثات التي كانت أكثر نشاطاً في تلك الغدد بعد 48 ساعة. يقول فيرنينو إن الفرضية التي وضعوها تنص على أن المورثات التي ستكون نشطة بصورة خاصة بعد تفريغ الغدد قد تؤدي دوراً في تصنيع السموم.

حدد فيرنينو وزملاؤه عدة مورثات نشطة معروفة بأنها تؤدي دوراً في المسارات الاستقلابية التي تُشكّل الجزيئات المرتبطة بالسموم في النباتات والحشرات، ويقول إن هذه المورثات يمكن أن تساعد العلماء على توجيه جهودهم في الاتجاه الصحيح في أثناء إجراء المزيد من الأبحاث حول الطرق التي تطبقها الضفادع لتركيب السموم.

قد تعتمد البرمائيات الأخرى على البكتيريا الطفيلية لتصنيع السموم، وتعتبر الأنواع من الجنس الذي يحمل اسم سلمندر المحيط الهادئ المائي (Taricha) من أكثر الحيوانات سميّة في الولايات المتحدة. على الرغم من أن هذه الحيوانات تبدو مسالمة، تحتوي أجسام أفراد بعض جماعات هذا النوع القديم على ما يكفي من سم تيترودوتوكسين لقتل عدة أشخاص، ويعتقد العديد من العلماء أنها تصنع سمومها الخاصة بنفسها؛ ولكن عندما استخرج الباحثون البكتيريا من جلودها واستولدوا بعض السلالات الميكروبية، اكتشفوا وجود 4 أنواع من البكتيريا التي تنتج سم تيترودوتوكسين. تشبه هذه البرمائيات في ذلك الأنواع الأخرى التي تحتوي على سم تيترودوتوكسين، مثل السرطانات وقنافذ البحر، التي يتفق العلماء على أن البكتيريا هي مصدر سمومها.

تعتبر الأنواع من جنس سلمندر المحيط الهادئ المائي من أكثر الحيوانات سميّة في الولايات المتحدة. لا يعلم العلماء بعد إذا ما كانت هذه الحيوانات تصنع سم تيترودوتوكسين القاتل بنفسها أم تحصل عليه من البكتيريا التي تعيش على جلودها. المصدر: جيفري غيلر

يعتبر منشأ المواد السامة التي تستخدمها سمادل المحيط الهادئ المائية معقداً، وذلك لأن هذه الحيوانات وأفاعي الرباط (garter snakes) التي تفترسها من الأنواع التي تعتبر أمثلة نموذجية على ما يدعى بالتطور المشترك. يعتقد بعض العلماء أن قدرة هذه الأفاعي على التغذّي على السلمندر المائي الشديد السمية يمثّل دليلاً على أنها تطورت بشكل مشترك مع هذه الحيوانات واكتسبت مقاومة لسمومها حتى تتمكن من الاستمرار في التغذّي عليها. في الوقت نفسه، يعتقد العلماء أن أنواع السلمندر هذه تكتسب قدرات سميّة أكبر باستمرار تفيدها في ردع الأفاعي، يصف العلماء هذا النوع من المنافسة التصاعدية بأنها سباق تسلّح تطوري.

يقول عالم البيئة وعالم الأحياء المتخصص في علم الأحياء التطوري في جامعة كاليفورنيا في مدينة ديفيس، غاري بوتشاريلي (Gary Bucciarelli)، الذي شارك في تأليف دراسة مراجعة حول إعادة تقييم فكرة سباق التسلح في مجلة المراجعة السنوية لعلوم الحيوان الحيوية (Annual Review of Animal Biosciences) عام 2022، إن سمادل المحيط الهادئ المائية لن تتمكن من الانخراط في سباق تسلّح كهذا دون القدرة على التحكم الوراثي بكمية المواد السامة التي تنتجها، وذلك حتى يفعل الانتقاء الطبيعي فعله.

إذا كان منشأ سم تيترودوتوكسين هو البكتيريا التي تعيش على جلد هذه الأنواع، فمن غير المرجح أن تتمكن هذه الحيوانات من زيادة درجة سميّتها. وفقاً لبوتشاريلي، من المحتمل أن تتمكن سمادل المحيط الهادئ المائية من إجبار البكتيريا على إنتاج المزيد من سم تيترودوتوكسين، لكن لا توجد أدلة تثبت ذلك، يقول: "لا شك في أن هذه الحيوانات لا تتمتع بعلاقة وثيقة وتنافسية لهذه الدرجة مع أفاعي الرباط".

وبالفعل، لم يشهد بوتشاريلي في المواقع الميدانية التي يعمل ضمنها في ولاية كاليفورنيا أفاعي الرباط تفترس السمادل المائية، يقول: "إذا تابعتَ الأدبيات العلمية المتعلقة بهذا الموضوع، قد تعتقد أن الأفاعي تستهدف السمادل المائية بمعدل مرتفع في حواف المجاري المائية والبرك. ولكن هذا لا يحدث ببساطة". يضيف بوتشاريلي قائلاً إنه بدلاً من ذلك، من المحتمل أن مقاومة الأفاعي لسم تيترودوتوكسين نشأت لسبب آخر، أو حتى من خلال المصادفة التطورية.

مع ذلك، فإن منشأ السموم التي تستخدمها السمادل المائية ليس معروفاً. يقول عالم الأحياء، إدموند برودي الثالث (Edmund Brodie III)، الذي كان من العلماء الذين طرحوا فرضية سباق التسلح بين الأفاعي والسمادل المائية لأول مرة منذ أكثر من 30 عاماً: "لا يقتضي مجرد وجود البكتيريا التي تعيش على الجلد وتؤدي وظائفها أن هذه البكتيريا هي مصدر سموم السمادل المائية".

يشير برودي إلى أن الباحثين الآخرين وجدوا أن السمادل المائية تحتوي على جزيئات قد تؤدي دوراً في مسار حيوي ينتج سم تيترودوتوكسين. مع ذلك، يقول برودي واصفاً الدراسة التي بيّنت أن البكتيريا الموجودة في السمادل المائية يمكن أن تنتج سم تيترودوتوكسين: "قدّمت هذه الدراسة أفضل المعلومات المتوفرة حتى الآن".

يتوقّع برودي أن السمادل المائية تتحكم في إنتاج سم تيترودوتوكسين بطريقة أو بأخرى، سواء من خلال تركيب هذا السم بنفسها أو بالتلاعب بالبكتيريا بطريقة ما، ويقول إن وجود البكتيريا بصفتها طرفاً ثالثاً في المنافسة بين الأفاعي والسمادل المائية يجعل هذا النظام الطبيعي أكثر إثارة للاهتمام.

التجمعات البكتيريّة على جلد سمادل المحيط الهادئ المائية وفي غددها. بيّن الباحثون أن بعض أنواع هذه البكتيريا قادر على إنتاج سم تيترودوتوكسين. يشير ذلك إلى أن هذه السمادل تحصل على سمومها من البكتيريا، ولكن هذا غير مثبت بعد.

أحد العوائق الرئيسية لتحديد إذا ما كانت سمادل المحيط الهادئ المائية قادرة على إنتاج سم تيترودوتوكسين بنفسها هو عدم توفر الجينوم الكامل لهذه الحيوانات في الأدبيات المنشورة. يقول برودي: "تتمتع هذه السمادل بواحد من أكبر الجينومات المعروفة بين الحيوانات".

تعتبر دراسة طرق تكيّف الحيوانات السامة واستخدامها للسموم موضع اهتمام متأصل بالنسبة للباحثين الذين يسعون إلى فهم العالم من حولنا، تماماً مثل الكثير من المجالات البحثية العلمية الأساسية. تقول تارفين إنه نظراً إلى أن التغير المناخي وتدمير المواطن يسهمان في التراجع المستمر للتنوع الحيوي، الذي يعتبر تأثيره في البرمائيات بليغاً بصورة خاصة، يفقد كوكب الأرض أنواعاً تتمتع بأهمية جوهرية لأنها كائنات فريدة، ولأنها مصادر للأدوية التي تحسن الحياة وتنقذ الأرواح.

على سبيل المثال، يبين بعض الأبحاث أن المركبات مثل إيبيباتيدين وتيترودوتوكسين والمركبات الشبيهة قد تؤدي دور مسكنات ألم غير أفيونية عند تناولها بجرعات صغيرة متحكّم بها، تقول تارفين: "نحن نفقد هذه المواد الكيميائية، ويمكنك حتى أن تقول إنها مركبات تسهم في التنوّع الكيميائي ومهددة بالانقراض".