有些青蛙的神經系統能抵抗比嗎啡還強大200倍的毒素。牠們到底怎麼辦到的?

在南美洲的叢林裡,箭毒蛙身上所帶的毒素,其強度是嗎啡的200倍。雖然毒素是對付天敵的致命武器,但為什麼對箭毒蛙本身卻沒有影響?

根據一項新的研究發現,箭毒蛙的神經系統隨著時光演變後,才獲得了抗毒能力。這是生物演化上的絕佳例子。

德州大學奧斯汀分校生物學家,同時也是國家地理學會贊助學者的蕾貝卡.塔文(Rebecca Tarvin)說:「我一直想了解大自然中的生物是如何獲得神經毒素的,因為這類動物需要重組其神經系統,而這看起來實在不太像是動物演化時會發生的事。」

鑽研神經系統

箭毒蛙實際上沒有分泌毒素的能力,而是靠吃下蟎和螞蟻而獲得。外表的豔麗體色,是在警告任何掠食者,可別笨到來咬一口。

像蛇與蠍子這類掠食者,牠們在使用毒液捕捉獵物時,毒液必須透過創傷進入獵物的身體內才能發揮作用。掠食者的毒素並不一定要馬上殺死獵物,相對的,牠們普遍用毒素來麻痺獵物。

不過,不管是掠食者還是獵物,牠們都需要能快速發揮作用的毒素,使對象失去行動能力。因此,神經系統就成為毒液攻擊的首要目標。

事實上,動物界中許多極其可怕的毒素,就是以癱瘓神經系統為手段。有些箭毒蛙身上帶有一種類似嗎啡的化合物,稱為epibatidine,其作用機制就與乙醯膽鹼這種化合物類似,可以在神經細胞之間傳遞訊號。由於epibatidine的效率極高,因此會干擾乙醯膽鹼的作用,造成神經系統許多問題,毒性大到只需要一隻毒蛙的epibatidine,就可以殺死一頭水牛。

另外,自然界中有些毒蠑螈,身上則帶有河豚毒素(tetrodotoxin),這類毒素會把生物神經傳導時所使用的離子通道阻塞住,以截斷神經的電流訊號。

維吉尼亞大學的生物學家兼毒物專家,同時也是這篇論文的審閱者布奇.布洛迪(Butch Brodie)表示:「這就像把某個脆弱地方的電線剪斷一樣,只是用不同的工具剪斷而已。」


↑↑↑↑↑在亞馬遜雨林中發現的新種箭毒蛙。2017年1月18日,在祕魯亞馬遜雨林深處,雪莉.珍妮佛.塞拉諾.羅哈斯(Shirley Jennifer Serrano Rojas)在馬努生物保護區(Manú Biosphere Reserve)聽到一陣不熟悉的青蛙叫聲。後來沿著叫聲發現了新種箭毒蛙。

 

天生不怕毒

但是,箭毒蛙到底是怎麼開始使用這種毒素的?根據塔文和同事最近發表在《科學》期刊上的結果顯示,這類使用epibatidine的箭毒蛙經過DNA定序後,發現牠們乙醯膽鹼受體的形狀與正常的受體在結構上有小小的不同。

就遺傳學上來說,受體形狀的變化必須非常細微。因為乙醯膽鹼和epibatidine在受體上的結合位置是一樣的。所以,如果突變讓受體的形狀改變太多,乙醯膽鹼將無法正常與受體作用來傳遞神經訊號。

這類箭毒蛙體內的受體,在結構上做了小小修飾,使得問題順利解決:epibatidine認不出箭毒蛙的受體,但箭毒蛙本身的乙醯膽鹼卻可以,因此這種機制確保了箭毒蛙不會被自身的毒素影響。

除此之外,這個研究還發現,箭毒蛙對這種毒素的抗性至少獨立演化了三次,正好說明了這樣的突變對箭毒娃來說的確有用。

「這是罕見的大自然之美,類似這篇研究發現的例子實在很少。」國家地理探險家暨爬行動物學家和毒理學家佐爾坦.塔卡克斯(Zoltan Takacs)説。「無論是怎樣的新發現,都是我們對於演化學與神經學上的一大躍進。」

深入研究毒素

這個研究對於毒理演化方面的了解是很重要的里程碑,然而背後還有許多未解之謎。舉例來說,生物學家仍然不知道箭毒蛙從何處獲得毒素。很明顯地,毒素應該是從食物中得到的,但科學家仍未找到確切的源頭。

塔文還指出,其實箭毒蛙毒素本身就是一個大謎團。箭毒蛙身上帶有超過800種的化合物,但我們真正了解的卻不到70種。

布洛迪表示,追蹤這些毒素的源頭,並進一步了解動物如何演化成不受毒素影響,可以讓我們進一步解開這大自然之謎。「其實我們人類,對自然界的化學合成物了解實在不多,」布洛迪說:「站在人類生物安全性的觀點來說,我們對這些毒素了解愈多,愈能減輕毒素對我們的威脅。」

撰文: Michael Greshko

編譯:陳軍名

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