2013
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【论文故事】它们到底是有毒呢,还是有毒呢?

在巴西一个很偏远的沙漠地带,圣保罗布坦坦研究所的卡洛斯·贾里德(Carlos Jared)试图采集一种名叫格林宁蛙(Corythomantis greeningi)的树蟾。

Corythomantis greeningi的头部特写。图片来源:Carlos Jared/Butantan Institute

啊!突然之间,一股被刺的触觉从卡洛斯的手上传来——他的皮肤被他想要抓握的树蟾刺破了。

卡洛斯被毒液侵蚀,整条手臂随即陷入剧烈的疼痛中。在无法获得医疗服务的境地之下,这种疼痛整整持续了五个小时之久。

也正是这样痛苦的经历,让卡洛斯意识到,格林宁蛙是能够注毒(Venomous)的。

它们不是有毒的,而是有毒的

在神秘的南美,身藏奇毒的两栖动物并不罕见——箭毒蛙便因身上的毒素能被人们涂在箭镞上用于捕猎而得名。

有毒的生物大致可以分为两大类,一类是能注毒的(Venomous),即带有传送机制的有毒,比如毒蛇,它要是咬了你一口,毒液会被注入你体内使你中毒;而箭毒蛙是带毒(Poisonous)的,它们分泌的毒素往往都只是贮存在皮下,无法主动注入敌人体内,只有你主动作死,比如咬了它一口,它才会让你中毒(关于这两种“有毒”的区别,可以参见这个果壳问答)。

尽管某些两栖动物的毒足以致命早已不是什么稀奇事,但因为它们缺乏主动注毒的机制,人们一直以为它们只是带毒的动物——直到卡洛斯和格林宁蛙的那次亲密接触,科学家们对这些树蟾的认知才发生了更新。

后来,在美国犹他州立大学的生物学教授埃蒙德·布罗德(Edmund D. Brodie, Jr.)的带领下,卡洛斯和其他同事们又在巴西发现了树蟾科下另一个属中发现同样具备“主动施毒”技能的布鲁诺盔头蛙(Aparasphenodon brunoi )——好在这一次,再没有人经历卡洛斯受过的伤痛。“我们还没听说有人遭受过布鲁诺盔头蛙的毒液攻击,但一旦栽在它的毒液手上,后果会更加严重。处理这些树蟾时,我们都加倍小心。”刚刚,在最新一期的《当代生物学》(Current Biology)上,他们将这两种奇葩树蟾的放毒本领公之于众。

两种树蟾的形态及头部骨刺特写。其中,左侧A、C、E三张图为布鲁诺盔头蛙;右侧B、D、F为格林宁蛙,从上到下的三排图片依次为外形展示、头骨(箭头所指为枕骨区域)、吻部边缘的放大图片。图片来源:研究论文

原来,这两种树蟾的头部都有着完善的毒液运输系统,它们能通过骨刺将皮下的毒液腺中的毒液送到体外——这样的“注毒系统”,正是从被动的毒性防御到主动进攻的分水岭。它们的头部扁平而粗糙,其表面由硬化的真皮致密层和突出的骨刺边缘构成。在被实验人员用手抓握时,两种树蟾都会释放出粘性分泌物,并扭曲头部,试图用骨刺攻击研究者的手。在这一过程中,骨刺上会附着毒性粘液,穿透皮肤向外伸出。

两种树蟾的骨刺和毒液腺。上排两图为布鲁诺盔头蛙骨刺穿出时的扫描电镜图,星号标注的骨刺经过箭头所指的毒腺区域后穿出体外,从而把毒液附着在骨刺上。下排两图标示格林宁蛙上颌附近的骨刺(星号标注)和毒腺(以“g”标注)。图片来源:研究论文

毒液可能只拿来保命

相对于一般的蛙类,它们的头部更加灵活,能够向两侧或垂直方向弯曲,而这样灵活的头部进一步促进了它们防御的范围。一般带毒的蛙类充其量也只能在被捕食者捕杀之后用毒素来一场死后的复仇,但“这些树蟾特殊的头部结构能在它们面对捕食者时提高生存的希望。”布罗德告诉科学人。不过,“我们现在还不知道有啥东西会猎食它们。”

在中科院从事两栖动物生态适应进化和保护研究的谢锋研究员对科学人说:“在其它一些没有这类机制的两栖动物物种身上,毒腺更多是一类被动防御系统,有了毒液传递机制后,它们可能进化为一种主动攻击性武器。”

因此,敢于这些树蟾为敌的捕食者如果存在,也肯定不是什么善主。研究人员发现,两种树蟾的毒性都相当惊人——甚至超过了蝮蛇类。格林宁蛙毒液的毒性达到了毒蛇矛头蝮(Bothrops)2倍,而布鲁诺盔头蛙的毒液毒性则更惊人地达到了矛头蝮毒液的25倍之多。

“我们还不清楚这些毒液具体的起效机制,但它令人遭受极端的疼痛,并且在很低的注射剂量下杀死小鼠。”布罗德说。在进行腹膜内攻毒实验时,研究者发现布鲁诺盔头蛙头部毒液对小鼠的半致死剂量仅为3.12微克,这意味着只需3.12微克的布鲁诺盔头蛙头部毒液就有50%的几率杀死实验小鼠。格林宁蛙头部毒液则需51.94微克。尽管毒性略有不足,但格林宁蛙演化出了更大的毒液腺,其产生毒液的能力要超过布鲁诺盔头蛙。

中国科学院昆明动物研究所副所长赖仞评论说,通过主动运毒到捕食者或者猎物体内,这些树蟾可以增强其主动防御或者攻击能力;同时这些骨刺的存在也能增强其毒液利用效率。

格林宁蛙活体的特写照片,星号标注处为骨刺。图片来源:研究论文

有此奇毒傍身,你是否已经忍不住要想象这些树蟾在树林里毒害猎物的暴虐画面了?只可惜,尽管“这两种树蟾应该对自身的毒液免疫,”布罗德说,“但它们的毒液可能只用在防御上。”

通过对两种树蟾的毒液的成分进行分析,研究人员从中检测出了酪蛋白水解酶和纤维蛋白溶解酶的活性,这些酶也常见于其他注毒动物的毒液中。此外,他们还在毒液中发现了透明质酸酶活性——尽管这一酶并不具备直接的攻击性,但是却能够促进毒素的扩散。

赖仞指出,研究这些动物的毒素,一方面既可能以它们为研究工具帮助人们发现和阐明人类本身的一些受体、离子通道的结构和功能,比如通过银环蛇毒素发现的乙酰胆碱受体;另一方面,它们也可能被直接作为药用,比如从美洲矛头蝮蛇毒液中提取的凝血酶类似物蛋白,就已经被用作止血药物。在此基础上,动物毒素也可以充当药物先导分子的角色,为开发和改造药物提供帮助。

“我们会将进一步对两种树蟾的毒液进行分析,以其弄清它们的本质。也希望对其他的类似物种进行研究,看看它们是否有着主动释放毒液的能力。”布罗德说。当然,为了不让卡洛斯的悲剧重演,他们必须做好足够防范。

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Jared et al., Venomous Frogs Use Heads as Weapons, Current Biology (2015), dx.doi.org/10.1016/ j.cub.2015.06.061

文章题图:Carlos Jared/Butantan Institute

 
 
 
 
The End

发布于2015-08-06, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳。 如在其他平台看到此文章被盗用,请告诉我们(文章版权保护服务由维权骑士提供)

Lucorta92

生物学博士

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