Скорпионы — привычные соседи для жителей жарких стран, опасные, но интересные для науки. Так, это одни из древнейших паукообразных, много миллионов лет назад в числе первых колонизировавшие сушу, а их яд может стать основой для перспективных лекарств от рака и аутоиммунных заболеваний. И это не все: скорпионы светятся под ультрафиолетовым излучением и могут изменять состав своих токсинов в зависимости от угрозы. Об этом и не только рассказываем в нашем материале.
Членистоногие первопроходцы
Членистоногие — одни из древнейших беспозвоночных, появившиеся в первичном океане около 450 млн лет назад. Они же стали первыми многоклеточными животными, вышедшими на сушу после растений.
«Наземные растения, точнее их споры и гниющие остатки, и стали тем магнитом, который притягивал к себе первых членистоногих», — сообщает в статье для издания «Элементы.ру» энтомолог и палеонтолог, старший научный сотрудник лаборатории артропод Палеонтологического института им. А.А. Борисяка РАН Александр Валерьевич Храмов.
Если возраст окаменелостей был определен правильно, предок современных скорпионов Parioscorpio venator — древнейшее известное науке животное, приспособленное к дыханию атмосферным воздухом. (На рисунке изображен императорский скорпион)
Источник изображения: rawpixel.com / фотобанк Freepik
Определить, какие именно создания стали самыми ранними первопроходцами на суше, несколько сложнее. Чтобы найти такие организмы, палеонтологи ориентируются на наличие у древних существ органов, приспособленных к дыханию атмосферным воздухом. Ранее древнейшими животными суши считали губоногих многоножек и панцирных пауков (тригонотарбов), найденных в отложениях около английского города Ладлоу возрастом около 425 млн лет. Но судить об их приспособленности к жизни на суше палеонтологи могут лишь по разрозненным фрагментам. Поэтому остается актуальным поиск останков организмов, по виду которых можно точно определить, что они были древнейшими обитателями суши.
Некоторое время самой ранней жительницей суши считалась двупарноногая многоножка Pneumodesmus newmani, обнаруженная около городка Стоунхейвен в Шотландии. На фрагментах ее окаменелости можно было заметить дыхальца — отверстия для вентиляции трахей. Изначально возраст слоев, где была найдена многоножка, оценивался в 428 млн лет, однако затем данные уточнили и окаменелость «помолодела» примерно до 414 млн лет. Примерно такого же возраста — около 410 млн лет — и другие членистоногие, считающиеся одними из первых обитателей суши, — панцирные пауки, чьи окаменелости были найдены в местечке Райни в Шотландии. У этих древних созданий, вымерших к концу палеозойской эры, были обнаружены легочные мешки.
Изучение древних скорпионов протекает сложнее. Хотя существуют находки этих созданий, возраст которых оценивается и в 433, и в 430 млн лет, до последнего времени причисление их к пионерам суши оставалось неоднозначным вопросом. Причина проста: ранних скорпионов часто обнаруживают в мелководных морских отложениях. Поэтому существует точка зрения, что в тот период они продолжали вести водный образ жизни.
«Тем не менее, даже если остатки какого-либо организма находят в морских отложениях, это не значит, что он там жил, — может быть, его туда снесло посмертно. В конце концов, находят же в морских слоях немало стрекоз и других крылатых насекомых. Конечно, у скорпиона, который не умеет летать, шансы упасть в воду гораздо ниже, но все же они отнюдь не нулевые. Кроме того, у древнейших скорпионов, считающимся морскими, не было найдено ни одной ярко выраженной адаптации к водному образу жизни, например плавательных ног или жабр», — размышляет А.В. Храмов в уже упомянутой статье. Исключение из этого правила — скорпион Waeringoscorpio westerwaldensis раннего девонского периода с бахромой по бокам тела, схожей с трахейными жабрами водных личинок насекомых. Но, как отмечает А.В. Храмов, эта особенность могла возникнуть вторично, когда наземные скорпионы пытались освоить водную стихию.
Parioscorpio venator напоминали современных собратьев и другими особенностями — формой тела и устройством кишечника.
Фото: kuritafsheen77 / фотобанк Freepik
Новыми находками, свидетельствующими в пользу раннего выхода скорпионов на сушу, стали две окаменелости, обнаруженные в американском штате Висконсин в 1985 г., но изученные лишь недавно. Результаты исследования были опубликованы в 2020 г. в журнале Scientific Reports. Хотя останки нового вида, названного Parioscorpio venator («прародитель скорпионов — охотник»), также нашли в мелководных морских отложениях, его организм, судя по особенностям, был приспособлен к дыханию атмосферным воздухом. Оказалось, что у этих небольших (длиной около 2,5 см) созданий имелись пульмо-перикардиальные пазухи. У современных скорпионов эти структуры соединяют перикард («сумку» для сердца из соединительной ткани) и легочные мешки, по ним перегоняется гемолимфа для насыщения кислородом. И поэтому, хотя сами легочные мешки у «прародителей-охотников» не сохранились, при таком устройстве организма они вполне могли существовать. Ранее безоговорочным свидетельством выхода скорпионов на сушу считалась окаменелость с сохранившимися легочными мешками, которая «моложе» новой находки почти на 100 млн лет.
Parioscorpio venator оказались древнейшими представителями своего класса, известными науке, их возраст составляет около 437–436 млн лет — на несколько миллионов лет старше вида Palaeophonus loudonensis, ранее считавшегося самым ранним скорпионом, чья окаменелость была обнаружена в Шотландии. Интересно, что Parioscorpio venator напоминали современных собратьев и другими особенностями — формой тела, включая тонкий «хвост» с жалом и ядовитой железой (на самом деле его правильнее считать частью брюшка), а также устройством кишечника.
Хотя у окаменелостей не нашли органов для дыхания под водой, ученые полагают, что «прародители-охотники» могли вести полуводный образ жизни. Тем не менее, если возраст этих ранних скорпионов вычислен верно, они представляют собой древнейших известных науке животных, приспособленных к дыханию атмосферным воздухом.
Яд скорпионов — источник ценных веществ для различных медицинских препаратов.
Фото: brgfx / фотобанк Freepik
Яд как лекарство
Пестрые скорпионы (Mesobuthus eupeus) — распространенные обитатели Центральной Азии, Сирии, Турции, их можно встретить и на юге России. Для человека они ядовиты, но в большинстве случаев не смертельно. Яд пестрых скорпионов много лет привлекает ученых как источник ценных веществ для лекарств от инфекций (например, малярии), артрита и воспалений.
Новое применение «опасному дару» членистоногих нашли ученые Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и бельгийского Левенского католического университета. Оказалось, что одна из составляющих яда пестрого скорпиона — белок MeKTx13-3 — способна блокировать в клетках разновидность калиевых каналов, участвующую в развитии аутоиммунных процессов и росте злокачественных опухолей. Адаптировав белок таким образом, чтобы он воздействовал исключительно на «опасные» калиевые каналы, не мешая работе других, ученые получили вещество, способное лечь в основу персонализированного лекарства от рака и аутоиммунных заболеваний. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Pharmacology.
И еще немного о ядах: токсичность и состав яда скорпионов могут меняться в зависимости от окружающих условий. К такому выводу пришла группа австралийских ученых, опубликовавшая результаты исследования в 2017 г. в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. В рамках эксперимента исследователи имитировали присутствие позвоночных хищников в среде обитания у части подопытных скорпионов.
«Шесть недель спустя у скорпионов, встречавшихся с суррогатными хищниками, значительно изменялся химический состав яда в сравнении со скорпионами, не сталкивавшимися с угрозой. В том числе наблюдались относительный прирост некоторых компонентов, токсичных для клеток позвоночных, и относительное падение некоторых составляющих, эффективных против беспозвоночной добычи. Насколько мы знаем, наши открытия — первое свидетельство адаптивной пластичности состава яда», — говорят авторы исследования.
Сам себе светильник
Интересная особенность скорпионов — флуоресценция. Под ультрафиолетовым излучением эти создания светятся сине-зеленым цветом. Это открытие было сделано в 1954 г. Такую способность показывали почти все виды скорпионов, которых облучали светом в УФ-диапазоне.
За флуоресценцию у скорпионов отвечает средний, твердый и пигментированный, слой кутикулы — экзокутикула. Она состоит из двух частей: внутренней экзокутикулы и гиалиновой экзокутикулы. Гиалиновая экзокутикула — уникальный «подслой», присущий только скорпионам, состоящий в основном из мукополисахаридов и липопротеинов. Именно в нем содержатся вещества-флуорофоры, отвечающие за скорпионье свечение: когда на них попадает свет в УФ-диапазоне, они переизлучают его с бóльшей длиной волны, благодаря чему свечение становится видимым и обретает характерный цвет.
Интересно, что при линьке скорпионы сбрасывают как эпикутикулу (самый внешний слой кутикулы, тонкий и похожий на воск, защищающий тело членистоногого от высыхания), так и экзокутикулу, поэтому после «перерождения» эти животные еще несколько дней не могут светиться в ультрафиолете. Недоступна эта способность и новорожденным скорпионам с еще не окрепшей кутикулой.
Способность светиться в ультрафиолете недоступна новорожденным скорпионам с еще не окрепшей кутикулой.
Фото: kuritafsheen77 / фотобанк Freepik
Безусловно, флуоресценция скорпионов — настоящий подарок для исследователей, ищущих этих паукообразных для изучения. Но ведь изначально природа дала скорпионам этот «талант» для чего-то еще? Ведь с какой-то стороны эту способность даже можно посчитать вредной, так как скорпионы активны по ночам и, начав светиться под лунным светом, становятся более заметными как для своей добычи — насекомых (которые, как показало исследование 2005 г., избегают флуоресцирующих скорпионов в полнолуние, когда Луна особенно ярка), так и для врагов, которые сами не прочь полакомиться членистоногим, — грызунов и сов.
Сегодня ученые ищут объяснение тому, для чего скорпионам нужна эта способность. Простейшая гипотеза — она не нужна: светящиеся вещества вырабатываются в организмах скорпионов просто как побочные продукты обмена веществ. Но гораздо более интересные предположения удалось выдвинуть в результате нескольких экспериментов зарубежных ученых, поставленных в 2010–2011 г.
Скорпионы лучше всего воспринимают свет именно сине-зеленого цвета. Поэтому возможность использовать собственное тело в качестве своеобразного фонарика, преобразующего слабое УФ-излучение от Луны и звезд в комфортное сине-зеленое свечение, для этих членистоногих представляется неплохим подспорьем в поиске убежища. Находясь на открытом пространстве, скорпион немедленно начинает искать укрытие, чтобы спрятаться от хищников, и инстинктивно убегает от света. Если он окажется в тени, где будет меньше ультрафиолета, сияние его кутикулы потускнеет и скорпион поймет, что оказался в потенциально безопасном месте.
Подтверждение этой гипотезы нашлось в результате эксперимента, поставленного в 2010 г. исследователем из Калифорнийского государственного университета (США) Карлом Клуком. Организм скорпионов вырабатывает ограниченное количество флуорофоров, при этом в процессе свечения они разрушаются и флуоресценция ослабевает. Клук передержал половину подопытных скорпионов под УФ-излучением, дождавшись, пока они перестанут светиться, и затем исследовал их поведение в условиях, имитирующих ночь со слабым ультрафиолетовым светом от Луны и звезд, в сравнении с собратьями, имеющими возможность флуоресцировать. Оказалось, что светящиеся скорпионы были менее активны и старались оставаться в тени, в то время как нефлуоресцирующие животные проводили больше времени на открытом пространстве.
Согласно гипотезе, выдвинутой в результате экспериментов ученого из Оклахомского университета Дугласа Гаффина, скорпионы способны «видеть» телом.
Фото: kuritafsheen77 / фотобанк Freepik
Еще одним подтверждением гипотезы стали эксперименты Дугласа Гаффина, ученого из Оклахомского университета, во время которых он изучал, насколько быстро скорпионы будут пытаться спрятаться в укрытие под лучами света с разной длиной волны. Под сине-зеленым и ультрафиолетовым свечениями членистоногие вели себя одинаково, несмотря на то что к УФ-излучению их глаза чувствительны гораздо меньше.
Но и это не все: вероятно, для такой ориентации «по панцирю» скорпионам не нужны глаза — они попросту способны «видеть» телом. Такое предположение выдвинул все тот же Гаффин, поставив еще один эксперимент: он закрыл скорпионам глаза фольгой и пронаблюдал за их поведением в сине-зеленом и ультрафиолетовом свете. И если восприятие первого у животных «с завязанными глазами» ухудшалось, то в УФ-лучах они продолжали избегать света и стремиться в тень. Исходя из этого, ученый сформулировал гипотезу, что сигналы от преобразования УФ-излучения в сине-зеленый свет могут напрямую направляться в мозг скорпиона по нервным скоплениям, расположенным по всему телу членистоногого.
«Скорпионы с закрытыми глазами намного реже двигались под излучением с длиной волны 505 нм (сине-зеленым светом. — Примеч. авт), чем под излучением с длиной волны 395 нм (УФ-излучением. — Примеч. авт.). Они также двигались намного реже, чем животные из контрольной группы, у которых не были закрыты глаза. Такие результаты предполагают, что флуоресценция играет активную роль в процессе восприятия света скорпионами», — сообщается в статье в журнале Animal Behaviour. В то же время Дуглас Гаффин подчеркнул, что по результатам этого исследования не стоит делать поспешных выводов, — чтобы окончательно подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, нужны дополнительные испытания.
Источники
«Элементы.ру». Александр Храмов. Обнаруженный в США древнейший скорпион, по-видимому, дышал воздухом
«РИА Новости». Ученые выяснили, какое животное первым вышло из моря на сушу
ТАСС. В США нашли останки древнейшего скорпиона Земли
«РИА Новости». Ученые создали персонализированное лекарство из яда скорпиона
«Элементы.ру». Василий Деревянко. Флуоресцирующий скорпион
ТАСС. Скорпионы обладают способностью видеть телом, установили ученые США
ТАСС. Яд скорпиона «превратили» в лекарство от рака
«Наука и жизнь». Кирилл Стасевич. В минуту опасности скорпионы отбрасывают «хвост»
The Royal Society Publishing. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. Alex N. Gangur, Michael Smout, Michael J. Liddell [et al.]. Changes in predator exposure, but not in diet, induce phenotypic plasticity in scorpion venom
Discover Magazine. Ed Yong. Why Do Scorpions Glow in the Dark (and Could Their Whole Bodies be One Big Eye)?
Animal Behaviour. Vol. 23, Issue 2, February 2012, p. 429–436. Douglas D. Gaffin, Lloyd A. Bumm, Matthew S. Taylor [et al.]. Scorpion fluorescence and reaction to light (опубликовано на электронной платформе ScienceDirect)
The Journal of Arachnology, 38(3), 2010. Carl T. Kloock, Abraham Kubli, Ricco Reynolds. Ultraviolet light detection: a function of scorpion fluorescence (опубликовано на электронной платформе BioOne Digital Library)
Фото на главной странице: moksha666 / фотобанк 123RF
Источник изображения на превью: katemangostar / фотобанк Freepik
Источники изображений в тексте: rawpixel.com / фотобанк Freepik, kuritafsheen77 / фотобанк Freepik, brgfx / фотобанк Freepik, kuritafsheen77 / фотобанк Freepik, kuritafsheen77 / фотобанк Freepik.
