שתי קבוצות נפרדות של חוקרים, חקרו את הסתגלותם של בעלי-חיים לרעלן המיוצר ע"י האורגניזמים אותם הם אוכלים. הרעלנים בשני המקרים דומים מאוד: שניהם תוקפים חלבון מסויים
כאשר כתב דרווין את "מוצא המינים", הצורה בה מתרחשים השינויים האבולוציונים – המנגנונים המולקולריים אשר אחראים לשונות העוברת בתורשה, שמלאה תפקיד כה חשוב בתיאוריה שלו – היתה ספר חתום עבורו. מדע הגנטיקה עשה בדיוק אז את צעדיו הראשונים, בגן האפונים של הנזיר גרגורי מנדל, אך ספק אם דרווין היה מודע לכך כלל, ובכל מקרה לא הבין את חשיבות הניסויים הללו.
במאה וחמישים השנה שעברו מאז, הפכה הגנטיקה לאחד התחומים המצליחים ביותר בביולוגיה, ורשמה הישגים מרשימים: המנגנון התורשתי זוהה כהעברה של יישויות בדידות המכונות גנים, שהתבררו מאוחר יותר כרצף מסוים של בסיסי DNA. מבנה ה-DNA פוענח והקוד המאפשר המרת ה-DNA לחלבונים פוצח גם הוא. הגנטיקה השפיעה על תחומים רבים ושונים, מהרפואה – ועד למחקר האבולוציוני.
החוקרים מסוגלים היום לבחון בשינויים במולקולת ה-DNA, המובילים לשינויים אבולוציוניים. זה מה שעשו שתי קבוצות של חוקרים – אחת ובה חוקרים מאוניברסיטאות יוטה ואינדיאנה בארה"ב, והשנייה בה חוקרים מהמכון לביולוגיה ימית בהליפקס, קנדה, ואוניברסיטאות נוספות מארה"ב. שתי הקבוצות חקרו את הסתגלותם של בעלי-חיים לרעלן המיוצר ע"י האורגניזמים אותם הם אוכלים. הרעלנים בשני המקרים דומים מאוד: שניהם תוקפים חלבון מסויים, היוצר תעלה המעבירה יוני-נתרן על קרום התא. תעלה זו נמצאת בעיקר בתאי-עצב ובשרירים, ונפוצה ברחבי ממלכת בעלי החיים. כאשר היא לא מתפקדת תאי-העצב אינם מסוגלים להעביר אותות והשרירים אינם מסוגלים להתכווץ בתגובה - לכן, הרעלנים שפוגעים בתעלה זו עשויים לגרום לשיתוק ואף למוות.
בעלי החיים בהם מדובר, לעומת זאת, שונים מאוד. הקבוצה הקנדית-אמריקאית חקרה סוג של צדפה, שניזונה מיצורים מימיים מיקרוסקופיים, וביניהם סוגים שונים של אצות. אחד מסוגים אלו, אותן אצות הגורמות ל"גאות האדומה", מכילות את הרעלן סקסיטוקסין (Saxitoxin). צדפות מסויימות מסוגלות לאכסן את הרעלן בתוכן לאחר אכילת האצות, ובעלי-חיים האוכלים את הצדפות – כולל בני-אדם – עלולים להיתקף בשיתוק. אך הצדפות עצמן רגישות גם הן לרעלן. החוקרים בדקו את רגישותן בעזרת מבחן פשוט – עד כמה מצליחות הצדפות להתחפר באדמה כאשר שמים אותן במיקום חדש. הסקסיטוקסין פוגע בשריריהן של הצדפות וכך מקשה על ההתחפרות. כאשר הם השוו בין צדפות משני מיקומים שונים – מקום אחד בו התרחשה פריחת האצות הקרויה "גאות אדומה" כל קיץ, ואחר ממקום בו לא נרשמו כל אירועים של גאות אדומה - נצפו הבדלים ניכרים ביניהן. האצות הרעילות פגעו בתפקודן של כ-86% מהצדפות שלא נחשפו לאצות אלו קודם לכן, אך רק בתפקוד של כ-10% מהצדפות ה"מורגלות" באצות. חשיפה ממושכת יותר הרגה יותר מרבע של הסוג הרגיש של הצדפות, אך פחות מ-2% מהסוג השני. אם כן, בצדפות שנחשפות לאצות באופן קבוע התפתח מנגנון הגנה בפני הרעלן. מהו מנגנון זה? כדי לבדוק זאת, החוקרים בדדו את תאי העצב של הצדפות ובדקו ישירות את הרגישות של התאים לרעלן. שוב, נמצאו הבדלים גדולים ברגישות בין האוכלוסיות: כלומר, ההבדל ביניהן נמצא בתאים עצמם.
הצעד הבא היה לבודד את הגן הספציפי האחראי על ייצור תעלת יוני-הנתרן. התברר שבגן הנמצא בצדפות העמידות בפני הרעלן ישנה מוטציה בבסיס DNA אחד, המשנה חומצת-אמינו יחידה ברצף החלבוני של התעלה. המוטציה נמצאת במקום שנמצא כבר במחקרים קודמים כאתר הקשירה של רעלנים מסוג זה. כדי לבדוק האם המוטציה הזו היא באמת הדבר המקנה את העמידות, לקחו החוקרים את הגן המקודד לאותה תעלה, אך בעכברים, וגרמו בו לאותה מוטציה. הגן בוטא במערכת חיידקית, ויצר חלבון שכמעט כולו עכברי – אך הוא נושא את המוטציה של הצדפות העמידות. כאשר חשפו את החלבון המבודד לסקסיטוקסין, מצאו החוקרים ריכוז מסוים של הרעלן המונע כמעט לחלוטין את פעולתן של התעלות הרגילות – אך על מנת להוריד את הפעילות של התעלות בהן היתה המוטציה רק בכ-25%, נדרש ריכוז גבוה פי אלף של הרעלן.
ניסוי זה הוכיח כי המוטציה היחידה הזו אפשרה לצדפות לעמוד בפני הרעלן של האצות, ותכונה חדשה זו התפשטה באוכלוסיה שהיתה זקוקה לה – זו שנחשפה באופן קבוע לגאות האדומה.
הקבוצה השנייה, האמריקאית, חקרה נחשים. נחשי הבירית ניזונים, בין השאר, מטריטונים – וחלק מהטריטונים הללו מייצרים רעלן מאותה משפחה של הסקסיטוקסין – הנקרא טטרדוטוקסין (Tetrodotoxin).
גם לרעלן זה יש אספקט קולינרי – זהו אותו רעלן המיוצר ע"י דג הפוגו (אבו-נפחא), המוגש במסעדות יפניות לסועדים אמיצים במיוחד, לאחר שהטבחים משתדלים להוציא את האיבר המייצר את הרעלן בשלמותו.
במקרה זה, בדומה למקרה של הצדפות, ישנם הבדלים גדולים ברגישות לרעלן בין אוכלוסיות שונות של נחשי הבירית. החוקרים בדקו 4 אוכלוסיות של נחשים ממקומות שונים בארצות הברית בהן נמצאים טריטונים רעילים, כאשר ל-3 מאוכלוסיות הנחשים היתה עמידות מסויימת לרעלן – אם כי חלקן היו עמידות יותר מאחרות. כביקורת, החוקרים בדקו גם אוכלוסיה ממקום רחוק יותר, שבו אין כלל טריטונים רעילים – ובהתאמה אין לנחשים אלו כל עמידות לרעלן. כאשר נתחו את העץ האבולוציוני של מינים אלו, החוקרים מצאו כי שתיים מהאוכלוסיות העמידות היו קרובות יותר לאוכלוסיה הלא-עמידה מאשר לאוכלוסיה העמידה השלישית – כלומר, תכונת העמידות התפתחה לפחות פעמיים אצל נחשים אלו, בתגובה לרעילות הטריטונים שאכלו.
השלב הבא היה, שוב, בדיקת תעלת יוני-הנתרן שבה פוגע הרעלן. החוקרים זיהו אזור קטן מאוד בחלבון – לא יותר מ-15 חומצות אמינו - בו היו מוטציות באוכלוסיות העמידות, אך בכל אוכלוסיה מוטציות שונות במקצת. כדי לבדוק האם זהו אכן הדבר המקנה את העמידות, נקטו אותה פעולה כמו הקבוצה שחקרה את הצדפות: לקחו חלבון שידוע כי הוא רגיש לרעלן – הפעם לא מעכבר אלא מאדם – והחליפו את הקטע הספציפי בגן זה לקטע הלקוח מגן של נחש עמיד. החוקרים בדקו מהו ריכוז הרעלן שדרוש על מנת להוריד את פעילות התעלות ב-50%. כאשר בצעו החוקרים את הניסוי על חלבון הנושא את המוטציות שנמצאו אצל האוכלוסיה העמידה ביותר, התברר כי הריכוז הנדרש היה גבוה בשלושה סדרי גודל בהשוואה לחלבון הנלקח מאדם, או מנחש לא עמיד. מוטציות שנמצאו אצל אוכלוסיות עמידות פחות הפכו את החלבון האנושי לעמיד במידה מסויימת – מעין מצב ביניים בין המוטציות של האוכלוסיה העמידה ביותר לגן האנושי המקורי. כך הראו החוקרים שמוטציות אלו, שהתפתחו ככל הנראה באופן בלתי-תלוי באוכלוסיות שונות, הן המקנות לנחשים את היכולת לאכול את הטריטונים הרעילים.
שני המחקרים מראים איך שינויים גנטיים בגן יחיד יכולים להקנות תכונה חדשה, החשובה מאוד להישרדות – עמידות לרעל המיוצר ע"י טרף פוטנציאלי. הם גם מראים כיצד תכונה זו מתפשטת אך ורק באוכלוסיות הנחשפות לרעל, בשל לחצי הברירה הטבעית. בנחשי הבירית, נראה כי ההסתגלות לרעלן נמצאת בעיצומה – כאשר בכל אוכלוסיה מתפתחות מוטציות שונות, המקנות רמות שונות של עמידות. כך שינויים מולקולריים מביאים לשינויים אבולוציונים – ובסופו של דבר להתפתחותם של מינים חדשים.
אדם נחש - על מרעילים והרעלות בהסטוריה