Những con rắn được thu thập từ rừng Amazon ở Colombia. Sau vài ngày bị nuôi nhốt không có thức ăn, chúng được cho ăn một món “cực kỳ khó nuốt”: ếch phi tiêu ba sọc (Ameerega trivittata).
Da của loài ếch này chứa những độc tố chết người – như histrionicotoxin, pumiliotoxin, decahydroquinoline – có khả năng làm rối loạn các protein thiết yếu trong tế bào.
Trong thí nghiệm, sáu con rắn mặt đất hoàng gia (Erythrolamprus reginae) chọn cách… nhịn đói. Bốn con còn lại thì liều mạng lao vào tấn công. Nhưng trước khi nuốt chửng con mồi, chúng kéo lê những con ếch trên mặt đất – giống cách một số loài chim chà xát con mồi để loại bớt độc tố bám trên da.
Ba trong bốn con rắn “gan lì” sống sót sau bữa ăn – cho thấy cơ thể chúng có khả năng xử lý lượng độc còn lại.
Trò “chiến tranh hóa học” trong tự nhiên
Sinh vật sống dùng các phân tử độc hại để giết nhau đã diễn ra suốt hàng trăm triệu năm.
- Vi sinh vật: dùng chất độc để triệt hạ đối thủ hoặc tấn công tế bào vật chủ.
- Động vật: dùng nọc độc để hạ gục con mồi, hoặc tự vệ trước kẻ săn mồi.
- Thực vật: tạo ra các chất độc để chống lại côn trùng, động vật ăn cỏ.
Đáp lại, nhiều loài động vật đã tiến hóa những cách sống chung với độc tố. Một số thậm chí còn tích trữ độc trong cơ thể để sử dụng như vũ khí phòng thân.
Các nhà khoa học đang dần bóc tách những “chiêu thức” giải độc sáng tạo này, với hy vọng tìm ra những gợi ý để điều trị ngộ độc ở người. Về sâu xa hơn, họ đang nghiên cứu một lực tiến hóa thầm lặng đã góp phần định hình cả cộng đồng sinh vật, theo nhà sinh học tiến hóa Rebecca Tarvin (Đại học UC Berkeley), người giám sát thí nghiệm về rắn và có bài tổng quan về chủ đề này năm 2023.
“Chỉ vài milligram của một hợp chất thôi cũng đủ thay đổi toàn bộ cách các loài tương tác trong một hệ sinh thái,” Tarvin nói.
Các con đường trở nên… có độc
Các loài trở nên độc theo nhiều cách khác nhau:
- Tự sản xuất độc
- Cóc thuộc họ Bufonidae tạo ra các phân tử gọi là cardiac glycoside (glycoside tác động lên tim).
- Những chất này làm tê liệt một protein thiết yếu là bơm natri–kali (Na⁺/K⁺-ATPase) – vốn giữ vai trò bơm ion vào – ra tế bào.
- Quá trình bơm này cực kỳ quan trọng để:
- Duy trì thể tích tế bào
- Co cơ
- Dẫn truyền xung thần kinh
- Nuôi vi khuẩn sinh độc bên trong cơ thể
- Cá nóc là ví dụ điển hình: chúng chứa các vi khuẩn sản sinh tetrodotoxin, khiến thịt cá có thể gây chết người nếu ăn phải.
- Lấy độc qua thức ăn
- Nhiều loài ếch độc – trong đó có loài ếch phi tiêu được cho rắn ăn trong thí nghiệm – ăn các loài côn trùng, ve bét chứa độc, rồi tích lũy độc tố trong cơ thể.
Khi một loài tiến hóa để trở nên độc, cơ thể chúng buộc phải tái cấu trúc để không tự đầu độc chính mình. Đồng thời, các loài ăn chúng – hoặc bị chúng ăn – cũng phải tiến hóa để chịu được độc tố.
Những thích nghi được nghiên cứu rõ nhất thường liên quan đến việc thay đổi cấu trúc của chính các protein là mục tiêu tấn công của độc tố, để chúng trở nên kháng độc.
Ví dụ: các loài côn trùng ăn cây milkweed (trữ nhiều cardiac glycoside) đã tiến hóa phiên bản bơm natri–kali mà glycoside không bám vào được, từ đó tránh bị tê liệt.
Sửa gene để kháng độc… nhưng trả giá
Tuy nhiên, đụng vào một phân tử sống còn của tế bào không phải chuyện “miễn phí”, theo nhà sinh học phân tử Susanne Dobler (ĐH Hamburg, Đức).
Trong các nghiên cứu trên bọ rệp lớn ăn milkweed (large milkweed bug), bà phát hiện:
- Càng làm cho bơm natri–kali kháng glycoside bao nhiêu,
- Thì hiệu suất hoạt động của nó càng giảm bấy nhiêu.
Điều này rất nguy hiểm với tế bào thần kinh, vốn cực kỳ phụ thuộc vào bơm này.
Nhưng loài bọ dường như đã tìm được cách “lách luật”. Năm 2023, Dobler và cộng sự so sánh ba phiên bản bơm mà cơ thể bọ tạo ra. Họ phát hiện:
- Phiên bản hoạt động tốt nhất trong não lại là phiên bản nhạy độc nhất.
Điều đó cho thấy bọ đã tiến hóa những cơ chế khác để bảo vệ não khỏi glycoside, thay vì chỉ trông chờ vào việc sửa bơm natri–kali.
Dobler nghi ngờ các protein vận chuyển gọi là ABCB transporter có liên quan:
- Những protein này nằm trên màng tế bào,
- Có nhiệm vụ bơm chất thải và các phân tử “không mong muốn” ra khỏi tế bào.
Bà phát hiện một số loài bướm đêm (hawk moth) dùng các protein ABCB bao quanh mô thần kinh để đẩy cardiac glycoside ra khỏi tế bào, tránh cho thần kinh bị tê liệt.
Bà cũng đang kiểm tra giả thuyết rằng nhiều loài côn trùng có ABCB transporter trên màng ruột, giúp ngăn độc xâm nhập vào cơ thể ngay từ đầu. Điều này có thể giải thích vì sao bọ hành màu đỏ – loài ăn cây lan chuông (lily of the valley) giàu glycoside – vẫn sống nhởn nhơ, rồi thải độc qua phân. Phân của chúng lại có tác dụng xua đuổi kiến ăn thịt, như Dobler báo cáo năm 2023.
Ở một loài khác – bọ dogbane – không chỉ kháng độc, chúng còn tích trữ cardiac glycoside trong cơ thể, rồi tiết chúng lên lưng khi bị đe dọa để tự vệ.
[block id=”related-post”]
Gan rắn, “bọt biển” hút độc và huyết thanh tự nhiên
Với rắn mặt đất hoàng gia, dường như gan là cơ quan then chốt.
Trong các thí nghiệm nuôi tế bào, nhóm của Tarvin đã thấy rằng dịch chiết từ gan rắn có khả năng bảo vệ tế bào trước độc tố của ếch phi tiêu. Họ đưa ra giả thuyết:
- Rắn sở hữu các enzyme trong gan có thể chuyển hóa độc tố thành dạng không độc, giống cách cơ thể người xử lý rượu hay nicotine.
- Gan rắn cũng có thể chứa các protein “bám” vào độc tố, khiến chúng không thể gắn vào mục tiêu – hoạt động như một dạng “bọt biển” hút độc.
Các “protein bọt biển” như vậy đã được phát hiện trong máu một số loài ếch độc. Nhờ chúng, ếch có thể kháng các độc tố mạnh như saxitoxin và các alkaloid, vốn chúng tích lũy qua chế độ ăn.
Sóc đất California dường như dùng một “mẹo” tương tự để tự vệ trước nọc rắn đuôi chuông (rattlesnake) – một “cocktail” gồm hàng chục độc tố gây phá hủy mạch máu, ngăn cầm máu, v.v.
Máu sóc đất chứa những protein chặn đứng một số độc tố trong nọc – rất giống các protein mà chính rắn đuôi chuông dùng để tự bảo vệ nếu nọc rò rỉ khỏi tuyến nọc.
Nọc rắn đuôi chuông khác nhau giữa các quần thể, và nhà sinh học tiến hóa Matthew Holding (ĐH Michigan) có bằng chứng cho thấy “huyết thanh tự nhiên” của sóc đất cũng được tinh chỉnh theo từng vùng, “đo ni đóng giày” cho loại nọc của những con rắn địa phương.
Dĩ nhiên, các phòng tuyến này không phải “lá chắn bất tử”:
- Rắn đuôi chuông không ngừng tiến hóa nọc mới để vượt qua phòng ngự của sóc.
- Và ngay cả chính một con rắn cũng có thể chết nếu bị tiêm đủ lượng nọc của chính nó.
Vì vậy, nhiều loài – dù có kháng độc – vẫn cố tránh độc ngay từ bước đầu tiên:
- Rắn mặt đất kéo lê ếch trên đất để chà bớt độc trên da.
- Một số loài rùa chỉ ăn da bụng và nội tạng của kỳ giông độc, tránh phần da lưng cực độc.
- Sâu non bướm chúa (monarch caterpillar) dù chịu được cardiac glycoside vẫn “rút máu” gân lá milkweed trước, để cho dịch độc chảy ra, rồi mới thong thả ăn lá.
Biến độc tố thành vũ khí của chính mình
Không chỉ tránh và chống độc, nhiều loài còn tận dụng độc tố để phục vụ lợi ích riêng.
Ví dụ: bọ dogbane với lớp vỏ óng ánh. Chúng ăn cây chủ giàu cardiac glycoside, rồi – rất có thể nhờ các protein ABCB – chuyển những phân tử độc đó ra bề mặt lưng. Khi bị quấy rầy, chúng tiết ra những giọt chất độc li ti trên cánh cứng, biến chính cơ thể mình thành thứ “khó nuốt”.
Nhờ kiểu “tái sử dụng” này, một số côn trùng trở nên phụ thuộc hoàn toàn vào cây chủ.
Mối quan hệ giữa bướm chúa (monarch) và cây milkweed là ví dụ điển hình:
- Sâu non bướm chúa ăn lá milkweed, tích lũy cardiac glycoside trong cơ thể.
- Nhờ vậy, cả sâu lẫn bướm trưởng thành đều trở nên độc trong mắt nhiều loài săn mồi.
Nhưng vòng xoáy không dừng ở đó.
Trong một nghiên cứu năm 2021, nhà sinh học tiến hóa và di truyền Noah Whiteman (UC Berkeley) và cộng sự đã xác định được bốn loài động vật tiến hóa khả năng chịu đựng cardiac glycoside, cho phép chúng ăn chính bướm chúa.
Một trong số đó là chim sẻ đầu đen (black-headed grosbeak) – loài chim săn bướm chúa tại các rừng thông vân sam trên núi ở Mexico, nơi bướm chúa bay đến trú đông sau hành trình di cư dài từ Bắc Mỹ.
Whiteman nói:
Hãy tưởng tượng: một hợp chất độc được tạo ra trong cây milkweed trên một thảo nguyên ở Ontario đã góp phần định hình sinh lý của một loài chim, để nó có thể ung dung kiếm ăn ở một khu rừng cách đó hàng nghìn kilômét.
“Thật đáng kinh ngạc,” ông nói – “chặng đường mà một phân tử nhỏ bé đi qua, và tầm ảnh hưởng mà nó để lại lên tiến hóa.”
Từ rắn, ếch, sâu bướm, bọ cánh cứng cho đến sóc đất và chim sẻ, câu chuyện chung là: độc tố không chỉ giết chóc, mà còn là động lực tiến hóa cực mạnh.
Để sống sót trong một thế giới đầy “vũ khí hóa học”, các loài đã học cách:
- Né tránh độc,
- Chắn độc ngoài ruột và tế bào,
- Sửa mục tiêu của độc tố,
- Dùng protein “bọt biển” để hút độc,
- Tái chế độc thành áo giáp cho chính mình.
Và chính những mầm độc tí hon đó – thứ ta thường chỉ nghĩ tới trong cảnh báo “đừng ăn, có độc” – đang âm thầm viết nên các đường nét lớn trong bức tranh tiến hóa của sự sống.
