Comment survivre aux toxines comme le font les autres animaux

Les créatures ont développé une suite de stratégies intelligentes pour rester à l'abri du danger.

Cet article publié pour la première fois dans Magazine connaissable.

Les 10 serpents ont été confrontés à une situation difficile.

Recueillis en Amazonie colombienne, ils sont restés sans nourriture pendant plusieurs jours en captivité et se sont ensuite vu présenter des proies extrêmement peu appétissantes: des grenouilles venimeuses à trois bandes, Ameerega trivittata. La peau de ces grenouilles contient des toxines mortelles, telles que des histrionicotoxines, des pumiliotoxines et des décahydroquinoléines, qui interfèrent avec les protéines cellulaires essentielles.

Six des serpents terrestres royaux (Érythrolamprus reginae) préférait avoir faim. Les quatre autres se sont intrépidement glissés pour tuer. Mais avant d'avaler leur repas, ils traînaient les grenouilles sur le sol, un peu comme certains oiseaux effacent les toxines de leurs proies, ont noté la biologiste Valeria Ramírez Castañeda de l'Université de Californie à Berkeley et ses collègues qui ont mené l'expérience.

Trois des quatre serpents ont survécu au repas, ce qui suggère que leur corps était capable de gérer les toxines restantes.

Les êtres vivants utilisent des molécules mortelles pour s’entre-tuer depuis des centaines de millions d’années. Vinrent d’abord les microbes qui utilisèrent les produits chimiques pour éliminer leurs concurrents ou attaquer les cellules hôtes qu’ils envahissaient ; puis les animaux, pour tuer des proies ou éloigner les prédateurs, et les plantes, pour se défendre contre les herbivores. En réponse, de nombreux animaux ont développé des moyens de survivre à ces toxines. Ils les stockent même parfois pour les utiliser contre leurs adversaires.

Les scientifiques commencent à découvrir ces défenses antitoxines créatives et espèrent ainsi identifier de meilleurs traitements contre les empoisonnements chez l’homme. Plus fondamentalement, ils découvrent une force qui a discrètement contribué à façonner les communautés biologiques, explique la biologiste évolutionniste Rebecca Tarvin de l'UC Berkeley, qui a aidé à superviser l'expérience sur les serpents et a écrit sur de telles stratégies dans le 2023. Revue annuelle d'écologie, d'évolution et de systématique.

« Juste des milligrammes d'un seul composé, et cela peut changer toutes les interactions dans un écosystème », explique Tarvin.

Illustration gracieuseté de Knowable Magazine

Guerre biologique

Les espèces deviennent toxiques de diverses manières. Certains d'entre eux fabriquent eux-mêmes les toxines : les crapauds bufonidés, par exemple, produisent des molécules appelées glycosides cardiaques qui empêchent une protéine appelée pompe sodium-potassium de faire entrer et sortir les ions des cellules. Un tel shunt est essentiel au maintien du volume cellulaire, à la contraction des muscles et à la transmission de l'influx nerveux.

D'autres animaux hébergent dans leur corps des bactéries productrices de toxines, c'est le cas du poisson-globe, dont la chair contenant des tétrodotoxines peut s'avérer mortelle à consommer.

Et bien d’autres obtiennent leurs toxines par l’alimentation – par exemple les grenouilles venimeuses, qui dévorent les insectes et les acariens contenant des toxines ; ces grenouilles incluent les espèces qui ont été nourries aux serpents terrestres.

À mesure que certains animaux ont évolué pour devenir toxiques, ils ont également reprogrammé leur corps pour éviter de s’empoisonner. La même chose est arrivée aux créatures qu’ils mangent ou qui les mangent. La mieux étudiée de ces adaptations implique des modifications des protéines qui sont normalement désactivées par les toxines, de sorte qu'elles sont désormais résistantes. Par exemple, les insectes qui poussent et se nourrissent d’asclépiades riches en glycosides ont développé des pompes sodium-potassium auxquelles le glycoside ne peut pas se lier.

Mais changer une molécule vitale peut créer des complications pour une créature, explique la biologiste moléculaire Susanne Dobler de l'Université de Hambourg en Allemagne. Dans ses études sur la grande punaise de l'asclépiade, qui se nourrit de graines d'asclépiade, elle a découvert que plus la pompe devient résistante aux glycosides, moins elle est efficace. Et c'est un problème dans les cellules nerveuses, où la pompe est particulièrement critique.

Le bug semble avoir évolué pour contourner le problème. Dans une étude de 2023, Dobler et ses collègues ont étudié la résistance aux toxines sur trois versions de la pompe fabriquée par la créature. Ils ont appris que le cerveau le plus fonctionnel est également le plus sensible aux toxines. La punaise de l'asclépiade a dû développer d'autres moyens pour protéger le cerveau des glycosides, dit Dobler.

Dobler soupçonne que des protéines appelées transporteurs ABCB sont impliquées : elles se trouvent dans les membranes cellulaires et éliminent les déchets et autres produits indésirables hors des cellules. Elle a découvert que certains papillons de nuit utilisent des protéines de transport ABCB situées autour de leurs tissus nerveux pour transporter les glycosides cardiaques hors des cellules. Peut-être que la punaise de l’asclépiade fait quelque chose de similaire.

Dobler teste également l'hypothèse selon laquelle de nombreux insectes possèdent des transporteurs ABCB dans les membranes de leurs intestins, empêchant ainsi les substances toxiques de pénétrer dans l'organisme. Cela pourrait expliquer comment le coléoptère rouge vif de l’oignon, qui se nourrit de muguet riche en glycosides, semble insensible aux toxines et se contente de les excréter. Les excréments qui en résultent ont l’avantage de repousser les fourmis prédatrices, a rapporté Dobler en 2023.

Pour les serpents terrestres royaux, le foie semble être la clé. À partir d'expériences de culture cellulaire, l'équipe de Tarvin a prouvé que quelque chose dans l'extrait de foie de serpent protège contre les toxines des grenouilles venimeuses à trois bandes. L’équipe émet l’hypothèse que les serpents possèdent des enzymes qui convertissent les substances mortelles en formes non toxiques, tout comme le corps humain le fait avec l’alcool et la nicotine. Le foie de serpent peut également contenir des protéines qui adhèrent aux toxines et les rendent incapables de se lier à leurs cibles, les épongeant comme des éponges. Les scientifiques ont découvert de telles protéines « éponges à toxines » dans le sang de certaines grenouilles venimeuses, leur permettant de résister aux saxitoxines mortelles et aux toxines alcaloïdes qu’elles reçoivent de leur alimentation.

Les spermophiles de Californie semblent utiliser une astuce similaire pour se défendre contre le venin du serpent à sonnette, un cocktail de dizaines de toxines qui détruisent les parois des vaisseaux sanguins, empêchent le sang de coaguler et bien plus encore. Le sang d'écureuil terrestre contient des protéines qui bloquent certaines de ces toxines, comme les protéines que les hochets utilisent eux-mêmes pour se protéger si le venin s'échappe de leurs glandes à venin spécialisées. La composition du venin diffère selon les populations de serpents, et le biologiste évolutionniste Matthew Holding de l'Université du Michigan a prouvé que le mélange antivenin des écureuils terrestres est adapté aux serpents locaux.

De telles défenses ne sont pas à l’épreuve des balles. Les serpents à sonnettes développent constamment un nouveau venin pour vaincre les défenses des écureuils, dit Holding, et même un crotale mourra s'il reçoit suffisamment de son propre venin.

C'est pourquoi les animaux, même les plus résistants, tentent, comme première mesure défensive, d'éviter les toxines. D'où le comportement traîneur des serpents terrestres, et la pratique de certaines tortues consommer uniquement la peau du ventre et les entrailles des tritons toxiques, pas la peau mortelle du dos. Même les insectes aiment chenilles du monarque qui sont résistants aux glycosides cardiaques entailleront les veines des plantes d'asclépiade pour drainer le liquide toxique avant de rentrer dans la plante.

Illustration gracieuseté de Knowable Magazine

Cooptation des toxines

De nombreux animaux trouvent également des moyens de stocker en toute sécurité les produits chimiques toxiques qu’ils consomment et de les utiliser à leurs propres fins. Le coléoptère irisé, par exemple, obtient des glycosides cardiaques de ses plantes hôtes et ensuite, probablement via des transporteurs ABCB, les transporte sur son dos pour se défendre. « Lorsque vous dérangez ces coléoptères, vous pouvez voir de petites gouttelettes apparaître sur leurs élytres, leur surface dorsale », explique Dobler.

Grâce à ce type de cooptation empoisonnée, certains insectes deviennent dépendants de leurs plantes hôtes pour leur survie. La relation entre le papillon monarque et l’asclépiade est un excellent exemple, et un excellent exemple aussi, de la longue portée que peuvent avoir de telles connexions entrelacées. Dans une étude de 2021, le biologiste évolutionniste et généticien Noah Whiteman de l’UC Berkeley et son collègue ont identifié quatre animaux qui ont évolué pour tolérer les glycosides cardiaques, leur permettant de se nourrir de monarques. L'un d'eux est le cardinal à tête noire, un oiseau qui se régale de monarques dans les forêts de sapins des montagnes du Mexique, où les papillons volent vers le sud pour hiverner.

Pensez-y, dit Whiteman : Une toxine qui a été assemblée dans une plante d'asclépiade dans une prairie de l'Ontario a contribué à façonner la biologie d'un oiseau afin qu'il puisse manger en toute sécurité dans une forêt à des milliers de kilomètres de là. «C'est tout simplement incroyable», dit-il, «le voyage parcouru par cette petite molécule et l'influence qu'elle a sur l'évolution.»