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Pourquoi le venin est-il plus répandu chez les poissons et les serpents que chez les autres vertébrés ?

Pourquoi le venin est-il plus répandu chez les poissons et les serpents que chez les autres vertébrés ?



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En lisant cette question, je me suis demandé pourquoi nous associons si souvent les venins de vertébrés aux serpents et aux poissons, et plus rarement aux lézards, aux amphibiens, aux mammifères et aux oiseaux (apparemment jamais, chez les oiseaux ?).

Les venins sont-ils plus avantageux pour les serpents et les poissons, ou plus chers ou dangereux à produire pour les autres taxons ? Ou est-il lié à l'histoire de l'évolution - le venin est-il en quelque sorte plus « évolutif » pour les lignées de serpents et de poissons ?

Ou, peut-être, est-ce juste le hasard ?


Cet article de Carl Zimmer couvre essentiellement tout ce que j'aurais pu dire. Il renvoie à un certain nombre de ressources, en particulier Casewell et. Al. 2013, qui à un coup d'œil semble tout à fait fascinant et très bien fait. Zimmer récapitule la figure 1, qui résume tout, ou pour citer Carl :

"Chaque lignée d'animaux venimeux est devenue mortelle à elle seule, indépendante de toutes les autres. Et pourtant, à la fin, leurs venins se font écho Ces résultats montrent qu'il existe un nombre limité de façons de tuer votre victime rapidement. Quels que soient les gènes que vous empruntez pour l'évolution du venin, ils finiront par ressembler beaucoup à d'autres venins."

Un autre article de Zimmer souligne spécifiquement la recherche prétendant montrer que les gènes du venin de serpent sont beaucoup plus anciens que les serpents, peut-être 200 millions d'années. Cela contourne mais ne répond pas tout à fait à votre question. Une revue plus ancienne a essayé de fusionner les choses (du mieux qu'il pouvait en 92), en passant du temps à se concentrer sur les insectivores et à s'occuper des mammifères. La théorie est que si le venin est un excellent avantage, il nécessite un investissement important et est souvent lent. Dans un monde aux dents acérées capables de se déchirer, le venin n'est peut-être pas nécessaire. Les mammifères, par exemple, pourraient évoluer vers ne pas utiliser du venin, car il peut ne pas convenir à leurs besoins énergétiques quotidiens élevés. Le pdf lié ci-dessus aborde brièvement le concept de "recrutement inverse", où les gènes de venin peuvent être utilement réutilisés pour d'autres processus biologiques.

Référence:

Nicholas R. Casewell, Wolfgang Wüster, Freek J. Vonk, Robert A. Harrison, Bryan G. Fry. Cocktails complexes : la nouveauté évolutive des venins. Trends in Ecology & Evolution Volume 28, Numéro 4, Avril 2013, Pages 219-229


Ancienne réponse :

La production de venin est une adaptation "difficile" à réaliser**. Il est donc concevable que des organismes plus simples aient eu suffisamment de temps d'évolution pour obtenir les mutations adéquates pour que cela se produise, ce qui expliquerait pourquoi le venin est presque absent (je ne connais qu'un ornithorynque comme étant toxique) chez les mammifères et les oiseaux, et apparemment abondant chez les poissons , des amphibiens (tels les dard frogs) ou des reptiliens.

De plus, si je comprends bien, il devrait y avoir une grande pression sélective et la mutation dans des organismes plus simples est plus susceptible de produire une progéniture viable que dans des organismes plus complexes, ce qui peut être un facteur contributif.


**METTRE À JOUR:

Il a été porté à mon attention que la réponse que j'ai donnée n'est pas tout à fait correcte. En enquêtant sur les mammifères venimeux, beaucoup d'autres sont apparus (pas seulement l'ornithorynque - l'ornithorynque mâle pour être plus précis), tels que les chauves-souris vampires, les solénodons, de nombreux types de musaraignes (merci @releseabe), les taupes et même les primates (le loris lent, étant le possible candidat unique)

Il n'y a pas d'oiseaux connus pour être venimeux, mais certains (comme le pitohui, l'ifrita et le roufous) peuvent être toxiques à manger.

Ma conviction initiale que la toxicité est difficile à atteindre (ce n'est guère mon domaine d'expertise, et peut-être aurais-je dû m'abstenir de répondre à quelque chose d'incomplet), ne semble pas vraiment étayée par la littérature, où de nombreux organismes différents semblent avoir développé des substances toxiques. /adaptations venimeuses.

Il convient peut-être de noter que beaucoup de ces animaux ont développé des glandes vénéneuses à partir de glandes salivaires/glandes sudorifères et qu'ils sont décrits comme présentant une évolution convergente. Une autre mise en garde est également que la plupart (tous?) Des oiseaux venimeux ont des batrachotoxines qui proviennent de leur alimentation (qu'ils se concentrent sur leur peau et leurs plumes), pas quelque chose qu'ils produisent eux-mêmes et ne sont pas aussi puissants que ceux produits par les dards-grenouilles. En ce sens, ils sont peut-être moins toxiques que d'autres animaux, et l'intensité de cet effet peut être liée à la co-évolution de ces organismes et de leurs proies/prédateurs.

Il convient également de mentionner que le loris lent, bien que considéré comme venimeux, a le poison de sa glande qui ressemble à un allergène salivaire de chat, et serait peut-être mieux décrit comme provoquant une allergie, plutôt que comme un poison, ou peut-être que les chats pourraient être considérés comme venimeux (mon avis, ne vaut presque rien). Une autre possibilité est que les substances utilisées pour marquer le territoire soient les mêmes et provoquer une allergie est une conséquence involontaire (extrait de l'article : « Plutôt que de posséder une glande brachiale comme le loris, les petits chats ajoutent directement des protéines allergènes salivaires aux objets inanimés (…) l'idée que les systèmes de reconnaissance des espèces partagent une relation étroite avec la reconnaissance immunitaire").

Mes opinions sur les animaux toxiques et venimeux ont changé au fur et à mesure que j'examinais ce sujet et, comme je le vois maintenant, c'est une propriété omniprésente sur de nombreuses branches différentes de l'arbre de vie.

Lien Wikipedia sur les mammifères venimeux. ce n'est pas très bon de référencer car les gens peuvent le changer à un moment donné et les informations auxquelles je fais référence ne seraient plus là, mais elles sont fortement évaluées par les pairs voir ici

Volé sans vergogne sur wikipedia à propos de la caractérisation du venin de loris lent Talking Defensively: A Dual Usefor the Brachial Gland Exsudat of Slowand Pygmy LorisesLee R. Hagey, Bryan G. Fry et Helena Fitch-Snyder

pitohui : JP Dumbacher, BM Beehler, TF Spande, HM Garraffo, JW Daly. Homobatrachotoxine du genre Pitohui : défense chimique chez les oiseaux ?

papier lent loris : Nekaris, K. Anne-Isola, Richard S. Moore, E. Johanna Rode et Bryan G. Fry. 2013. "Fou, mauvais et dangereux à savoir: la biochimie, l'écologie et l'évolution du venin lent de Loris." Journal des animaux venimeux et des toxines, y compris les maladies tropicales 19 (1) : 21. https://doi.org/10.1186/1678-9199-19-21.


Je note que les poissons et les serpents n'ont pas de membres et qu'en fait, de nombreuses créatures venimeuses et venimeuses seraient presque impuissantes sans venin / être venimeuses à manger ou à toucher. Il existe des cas de créatures venimeuses dont la seule défense est leur coloration annonçant leur nature venimeuse et le poison lui-même (et bien sûr ce sont de faux annonceurs) ; ces créatures dépendent des prédateurs qui choisissent de ne pas les manger, pas du tout de défense active.

Je suggère donc que manquer de membres et/ou être lent et/ou être petit/fragile favorise l'évolution des toxines comme moyen d'autodéfense ou pour tuer.


Venin

Venin est un type de poison, en particulier sécrété par un animal. [1] Le venin a évolué chez une grande variété d'animaux, à la fois prédateurs et proies, et à la fois des vertébrés et des invertébrés.

Les venins tuent par l'action d'au moins quatre grandes classes de toxines, à savoir les nécrotoxines et les cytotoxines, qui tuent les cellules, les neurotoxines, qui affectent le système nerveux et les myotoxines, qui endommagent les muscles. Biologiquement, le venin se distingue des autres poisons en ce que contrairement aux poisons ingérés, le venin est délivré par morsure, piqûre ou action similaire. Les animaux venimeux causent des dizaines de milliers de morts humaines par an. Cependant, les toxines présentes dans de nombreux venins ont le potentiel de traiter un large éventail de maladies.


Le venin de serpent a évolué pour cibler juste la bonne proie

Comme le vin, certains venins de serpents sont plus complexes que d'autres. Tout dépend du plat auquel il est associé.

De nouvelles recherches peuvent nous dire pourquoi. L'étude montre que la diversité évolutive parmi les proies, par exemple, une combinaison de souris, de tortues et de poissons, a été le principal facteur de complexité du venin chez les serpents à sonnettes, les têtes de cuivre et d'autres vipères nord-américaines.

Pour arriver à cette conclusion, les chercheurs ont ajouté des données sur les gènes et les protéines dans des échantillons de venin à un siècle d'études précédentes sur ce que mangeaient les serpents. L'équipe a découvert qu'un régime composé de proies avec la plus grande distance évolutive entre les ancêtres communs était associé au venin de serpent qui contenait la plus large gamme de toxines.

Le venin de serpent neutralise les proies en perturbant divers processus physiologiques, en attaquant le système nerveux, les capacités de coagulation du sang, les membranes cellulaires et les muscles. Ainsi, par exemple, un serpent qui mange des mammifères et des amphibiens aurait besoin d'un venin qui pourrait agir sur les constitutions assez différentes de chacune de ces classes d'animaux.

"Une souris est une souris est une souris à un serpent à sonnette, alors qu'une souris et une grenouille et un lézard sont assez différents &ndash en raison de la façon dont ils ont construit, de leur physiologie et de la façon dont le venin les attaque", a déclaré H. Lisle Gibbs, professeur d'évolution, d'écologie et de biologie des organismes à l'Ohio State University et co-auteur de l'étude.

La découverte suggère que la richesse des espèces et le nombre d'espèces différentes dans une communauté écologique n'est pas la force motrice derrière la complexité des traits des prédateurs. Au lieu de cela, la complexité du venin de serpent a évolué en réponse à la divergence, ou à la distance entre les espèces de proies, pour refléter la divergence des cibles physiologiques du venin.

&ldquoSi nous voulons expliquer les origines, l'évolution continue et la diversification de la vie, nous avons besoin de modèles et de règles pour déterminer quels scénarios conduisent l'évolution à prendre une trajectoire par rapport à une autre. Devenez-vous plus simple ou devenez-vous plus complexe ? », a déclaré le premier auteur Matthew Holding, un ancien étudiant diplômé du laboratoire Gibbs qui a mené ce travail en tant que chercheur postdoctoral à la Florida State University et à la Clemson University.

&ldquoNous avons vu l'évolution de venins à la fois plus simples et plus complexes au cours des 12 à 18 derniers millions d'années, et nous pouvons maintenant dire pourquoi et ce qui l'a motivée.&rdquo

Christopher Parkinson, professeur de sciences biologiques à Clemson, est l'auteur principal de l'étude.

La recherche est publiée en ligne aujourd'hui (19 avril 2021) dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences.

L'étude était un travail de terrain massif et une entreprise informatique, impliquant la capture de serpents dans leurs habitats naturels pour collecter leur venin et l'analyse de grands ensembles de données génétiques et d'informations écologiques historiques pour explorer les relations évolutives entre le régime alimentaire et la complexité du venin.

"Ce qui est puissant dans cette étude, c'est vraiment de pouvoir lier ensemble des dimensions très disparates de la biodiversité", a déclaré le co-auteur de l'étude Andrew Mason, un ancien postdoctorant de Clemson qui est maintenant chercheur postdoctoral au laboratoire Gibbs de l'Ohio State. &ldquoLes gens ont cette idée fausse sur le venin, que ce n'est que ce liquide qui vous fait mal. Mais il s'agit de dizaines de protéines différentes, et chaque espèce peut en avoir une combinaison ou un ensemble différent. Cet article définit une règle fondamentale pour ce qui régit l'évolution de ce trait.&rdquo

Les chercheurs ont analysé des échantillons biologiques de 169 serpents venimeux à crocs antérieurs, un groupe qui comprend des serpents à sonnettes, des bouches de coton et des cantils, comparant la complexité protéique du venin lui-même aux gènes qui avaient été exprimés dans les glandes à venin. L'analyse des données a permis aux scientifiques de confirmer que ce qui a été observé au niveau génétique reflétait la complexité du venin en fonction de sa teneur en protéines, et a également servi de base à un nouvel arbre de relations évolutives pour ce groupe de serpents.

Les données sur le régime alimentaire des serpents proviennent d'études précédemment publiées menées au cours des années qui ont examiné le contenu de l'estomac pour déterminer ce que ces serpents mangeaient. Les données ont montré une moyenne d'environ six classes différentes de proies et une divergence moyenne des espèces de proies par rapport à leurs ancêtres communs de 365 millions d'années.

En ajoutant des données d'arbres évolutifs existants pour différents types de proies, les chercheurs ont produit un arbre uni représentant la divergence des espèces de proies pour calculer la diversité du régime alimentaire.

"Nous avons superposé toutes ces informations et produit des corrélations", a déclaré Holding, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université du Michigan. &ldquoNous avons regroupé les données pour trouver un chiffre unique qui nous indique combien il y a de variété dans le régime alimentaire d'un serpent par rapport à un autre, et cela a montré la relation positive entre avoir un régime alimentaire complexe et avoir un venin complexe.&rdquo

En plus de répondre à une question évolutive importante, la recherche a des implications pratiques pour les humains. Plus on en sait sur le venin, mieux les scientifiques sont en mesure de développer des agents anti-venin pour traiter les personnes mordues par des serpents. Les données génétiques détaillées glanées sur les serpents pourraient également ouvrir de nouvelles possibilités d'utilisation des protéines de venin comme base pour la suppression des caillots et des analgésiques.

&ldquoCette connaissance à elle seule est vraiment précieuse du point de vue de la santé publique,», a déclaré Gibbs. &ldquoBeaucoup de ces serpents n'ont jamais été caractérisés avec autant de détails.&rdquo

L'équipe internationale de scientifiques des États-Unis, du Mexique et du Brésil qui mène ce travail est financée en partie par une subvention Dimensions of Biodiversity de la National Science Foundation.


Évolutif agile

Parmi les gènes subissant le changement évolutif le plus important, beaucoup sont impliqués dans la forme du corps et le développement des organes, le métabolisme, la production de venin et le sens de l'odorat.

Bon nombre de ces changements se sont produits dans les parties des gènes qui codent pour les protéines, plutôt que dans les séquences régulatrices qui activent et désactivent les gènes. Cela va à l'encontre d'une théorie de longue date selon laquelle la plupart des changements évolutifs se produisent en modifiant non pas les gènes eux-mêmes, mais lorsqu'ils deviennent actifs.

Pollock dit que les génomes des serpents peuvent être exceptionnellement enclins à changer car ils contiennent de nombreuses séquences répétées qui favorisent le désalignement des chromosomes et rendent ainsi les duplications de gènes plus courantes. L'équipe a découvert que de nombreux gènes contrôlant la glande à venin du cobra semblent provenir de duplications de gènes autrement utilisés dans d'autres organes tels que l'estomac, la rate, les testicules et les ovaires.

Cette agilité évolutive peut également rendre les serpents plus aptes à s'adapter aux défis futurs, explique Scott Edwards, biologiste de l'évolution à Harvard. Cependant, ajoute-t-il, les changements évolutifs «rapides» des serpents ont encore mis des millions d'années à s'accumuler. "On ne sait pas s'ils sont suffisamment labiles pour résister à tous les défis de la perte d'habitat et du changement climatique", dit-il. “C’est une autre échelle de temps.”


Faits sournois sur les serpents

Nous savons tous que les serpents sont sournois, mais tout le monde n'apprécie pas à quel point ces serpents glissants et autres insectes rampants venimeux sont vraiment fascinants ! Cette semaine, nous lançons une série dans laquelle nous répondons à certaines des questions les plus courantes que les gens se posent sur les serpents et autres créatures venimeuses. Attachez-vous pour quelques faits bizarres !

Faits sur les serpents sournois Volume 1

La longue langue fourchue d'une couleuvre rayée (Thamnophis sp.). Centre des sciences Da Vinci (DSC) CC2.

Pourquoi les serpents tirent-ils la langue ?

Vous avez peut-être remarqué que les serpents sortent beaucoup leur langue, surtout lorsqu'ils sont en mouvement. C'est parce qu'ils utilisent leur langue pour « humer » l'air, ce qui les aide à naviguer. C'est ce qu'on appelle la chimioréception, ce qui signifie littéralement la réception (accueil) de produits chimiques (chimio). Les produits chimiques en suspension dans l'air collent à la langue du serpent lorsqu'il sort, et le serpent peut identifier les particules grâce à un organe spécial appelé organe voméronasal (ou Jacobson).

Le voméronasal (ou organe de Jacobson) permet aux serpents de détecter les produits chimiques en suspension dans l'air, de la même manière que nous sentons. Fred l'huître CC4.

L'organe voméronasal est situé dans le toit d'une bouche de serpent, et il y a deux petits trous d'entrée qui y mènent comme des narines, mais à l'intérieur de la bouche. Une fois que le serpent a suffisamment agité sa langue fourchue pour obtenir une bonne couche de produits chimiques, il ramène la langue dans la bouche et appuie les pointes de ses fourches contre l'organe et une pointe de fourche dans chaque trou. Cela envoie un signal au cerveau du serpent, lui indiquant ce qu'est le &ldquosmell&rdquo. Et si le signal est plus fort sur un bout de la fourche de la langue que sur l'autre, il indique au serpent de quelle direction vient cette odeur. C'est ainsi que les serpents sont capables de trouver des proies cachées. Si vous voulez savoir comment sifflent les serpents, vous pouvez le découvrir ici !

Les serpents, comme ce python vert (Morelia viridis), sont si flexibles qu'il peut sembler qu'ils n'ont pas d'os, mais ils en ont ! David441491 CC2.

Les serpents ont-ils des os ?

Comme les serpents sont si flexibles, il peut être tentant de penser qu'ils n'ont pas d'os. Cependant, les serpents ont bel et bien des os. En fait, ils en ont des centaines, encore plus que nous, les humains.

Les animaux peuvent être classés comme invertébrés (animaux sans colonne vertébrale) ou vertébrés (animaux avec une colonne vertébrale). Les invertébrés comprennent des animaux comme les méduses, les calmars, les araignées et les insectes. Leur corps peut être très mou et spongieux, comme un ver, ou ils peuvent avoir un exosquelette (une coquille externe durcie, comme celle d'un crabe, d'un scarabée ou d'un scorpion).

Les serpents appartiennent aux vertébrés, avec tous les autres reptiles et amphibiens, mammifères, oiseaux et poissons. Tous ces animaux ont un squelette interne.

Les os donnent structure et force aux corps. Les muscles sont attachés aux os, ce qui nous permet de bouger lorsque nos muscles se contractent. Les serpents ont besoin de beaucoup d'os pour être à la fois solides et flexibles. Ils ont un crâne spécial (nous en parlerons plus tard !) et ils ont une très longue colonne vertébrale, composée de centaines de vertèbres (les os qui composent notre colonne vertébrale). Ils ont également des centaines de côtes, presque tout le long de leur corps, pour protéger leurs organes. Certains serpents attrapent et tuent leurs proies par constriction. Cela signifie qu'ils resserrent (resserrent) leur corps fort et musclé autour de l'animal qu'ils ont attrapé et le serrent à mort, à l'aide de leurs os. Ces serpents sont super forts ! D'autres serpents attrapent et tuent leurs proies à l'aide de venin. Nous parlerons de venin dans un futur blog, alors restez à l'affût !

Le squelette de cette vipère du Gabon (Bitis gabonica) est principalement composé de centaines de vertèbres et de côtes. Stefan3345 CC4.

Comment les serpents mangent-ils de si grosses choses ?

Alors, une fois qu'un serpent a attrapé sa proie, comment peut-il avaler quelque chose d'aussi gros que sa tête ? Pour répondre à cette question, nous examinerons d'abord la structure du crâne d'un vertébré typique.

Un crâne robuste d'ours polaire contribue à rendre sa morsure si puissante. WitmerLab à l'Université de l'Ohio CC4.

La plupart des animaux ont des crânes dont la structure est similaire à ce crâne d'ours polaire (illustré ci-dessus). Ces crânes sont constitués de deux parties principales : le crâne (cas du cerveau) et le mandibule (mâchoire inférieure). Il y a aussi le maxillaire (mâchoire supérieure), mais chez la plupart des animaux, il est fusionné à la face inférieure du crâne pour former une grande structure solide. Le crâne et les os mandibulaires se verrouillent et sont maintenus ensemble par des ligaments solides. Le fait de n'avoir que deux parties principales dans un crâne garantit qu'il est très solide et robuste. Ceci est important pour tous les morsures et mastications que nous faisons. Cependant, cela restreint également les mouvements, ce qui signifie que nous pouvons ouvrir très grand la bouche. Consultez ce site Web interactif pour comparer les crânes de nombreux animaux différents.

Les serpents, cependant, ont un crâne tout à fait unique composé de nombreux os séparés. Les mâchoires supérieure et inférieure sont divisées en deux parties chacune (côté gauche et côté droit), et le crâne est également séparé. Les os sont maintenus ensemble par des ligaments flexibles, mais ils ne se verrouillent pas comme le font la plupart des autres crânes d'animaux. Cela rend le crâne du serpent incroyablement flexible et la mâchoire est capable de s'étirer largement dans plusieurs directions.

Le crâne de ce boa arboricole est composé de nombreux os non fusionnés qui sont maintenus ensemble par des tissus et des ligaments. WitmerLab à l'Université de l'Ohio CC4.

Les serpents sont même capables de déplacer indépendamment le côté gauche et le côté droit de la mâchoire. En déplaçant un côté de la mâchoire vers l'avant pendant que l'autre côté saisit la nourriture, ils sont capables de tirer lentement la nourriture plus loin dans leur bouche. C'est ainsi qu'ils sont capables d'avaler de si grosses proies entières et sans les mains !

Un gros repas pour ce python rock africain. alex_griffiths CC2

Cette semaine, nous en avons appris un peu plus sur la façon dont les serpents trouvent, attrapent et avalent leurs proies. La prochaine fois, nous découvrirons ce qui arrive à leur corps une fois qu'ils ont avalé quelque chose d'aussi gros ! Nous parlerons également d'une autre stratégie de prédation &ndash venin.

Si vous avez une question brûlante à laquelle vous souhaitez que nous répondions dans notre prochain blog, n'hésitez pas à nous envoyer un e-mail.

Merci d'avoir lu et n'oubliez pas de revenir pour plus de faits sur les serpents sournois et d'autres informations sur les créatures venimeuses !


Pourquoi certains animaux ont des venins si mortels qu'ils ne peuvent pas les utiliser

Nous avons tous entendu des histoires sur les serpents, les méduses et les scorpions qui peuvent tuer les humains. Mais pourquoi ces animaux ont-ils développé des venins si toxiques, alors qu'ils sont si peu utiles ?

Cette histoire fait partie de la liste "Best of 2016" de BBC Earth, nos plus grands succès de l'année. Parcourez la liste complète.

Ma rêverie alors que je me promène dans le magnifique parc national du Corcovado au Costa Rica s'arrête soudainement lorsque le bras du guide me heurte la poitrine. "Arrêter!" crie-t-il en désignant quelque chose qui se débat dans le sable. "Serpent de mer."

Alors que je regarde le serpent de mer à ventre jaune, hors de son élément et apparemment en détresse, une anecdote de mon enfance fait surface dans mon cerveau.

"Les serpents de mer", me rappelle mon jeune moi, "sont les serpents les plus dangereux de tous. Vous devriez être prudent."

Ce "fait" est en fait une exagération, mais il est vrai que certains serpents de mer sont incroyablement venimeux. Il en va de même pour certains serpents terrestres : une seule morsure d'un taipan intérieur contient suffisamment de venin pour tuer 250 000 souris, par exemple. Et ce ne sont pas seulement les serpents qui détiennent ce genre de pouvoir. Une goutte de venin de cône marbré peut tuer 20 humains. Une piqûre de méduse-boîte peut provoquer un arrêt cardiaque et la mort en quelques minutes.

Cela soulève la question : pourquoi posséder une arme assez puissante pour tuer des dizaines de personnes si vous ne l'utilisez que dans une situation en tête-à-tête, et en particulier si vous n'avez pas l'intention de chasser quoi que ce soit de la taille d'un humain ?

Cela rappelle le mythe communément répandu (et c'est un mythe) sur les papas longlegs, à savoir qu'ils possèdent le venin le plus puissant connu de l'homme, mais l'ont développé pour rien parce qu'ils n'ont pas les moyens de l'administrer. Les venins les plus puissants semblent n'avoir aucun sens évolutif.

La raison pour laquelle un animal possède des armes toxiques est assez simple. Le venin est un moyen de maîtriser une proie sans risquer votre propre cou dans la lutte. Secondairement, c'est aussi une stratégie défensive utile.

Ce qui est étrange, cependant, c'est le niveau d'excès venimeux trouvé dans la nature. Pourquoi un serpent possède-t-il la capacité de tuer des centaines de milliers de souris à chaque morsure ? C'est particulièrement étrange si l'on considère ce qu'est un venin d'arme coûteux.

Une seule morsure de serpent taipan contient suffisamment de venin pour tuer 250 000 souris

Le venin a tendance à contenir des mélanges de toxines à base de protéines, agissant souvent en synergie pour faire des ravages sur les organes internes. Un venin hémotoxique de serpent peut contenir un composant qui empêche le sang de coaguler et un autre qui détruit les parois des vaisseaux sanguins. Les résultats sont prévisibles désordonnés.

La synthèse des protéines nécessite un investissement énergétique important, mais cela n'a pas stoppé l'évolution de venins contenant des milliers de peptides et de protéines, à un coût considérable pour les animaux en question.

Et dans une certaine mesure, les animaux venimeux représentent en fait ces coûts. Il est difficile de tester directement de telles choses, mais il semble que les serpents ajustent la quantité de venin qu'ils injectent en fonction de la taille de leur proie, afin de ne pas la gaspiller.

De plus, une expérience menée avec des vipères à fosse a démontré une augmentation de 11% de l'activité métabolique après l'extraction du venin, indiquant un lien entre l'effort physique et la production de venin.

Même ainsi, la vision classique de la sélection naturelle verrait ces traits coûteux supprimés à moins qu'ils ne soient absolument nécessaires. C'est en effet arrivé chez certaines espèces : le serpent de mer marbré, qui s'est remis à manger des œufs, a par conséquent perdu sa capacité à produire du venin.

Le fait demeure, cependant, qu'il y a beaucoup d'animaux qui circulent avec des cocktails coûteux de produits chimiques dans leurs crocs, leurs barbes et leurs épines qui semblent être beaucoup plus puissants qu'ils ne devraient l'être. Pourquoi?

Le venin doit être efficace à 100% et provoquer la mort très rapidement

Un point de vue traditionnel soutient qu'une toxicité accrue est le résultat d'une évolution compensant les lacunes dans d'autres domaines.

Comme tout habitant du désert vous le dira, quand il s'agit de scorpions, ce ne sont pas les gros et effrayants dont vous devez faire attention, mais les espèces plus petites telles que le Deathstalker au nom évocateur et ndash généralement considéré comme le scorpion le plus dangereux au monde .

"Les méduses en boîte sont un autre bon exemple", déclare Yehu Moran, chercheur à l'Université hébraïque de Jérusalem, qui, avec son collègue Kartik Sunagar, a récemment entrepris une analyse de la façon dont la sélection naturelle agit sur les toxines dans les lignées d'animaux venimeux.

"Ils sont très fragiles et quelque chose d'aussi musclé qu'un poisson pourrait les faire éclater de l'intérieur lorsqu'ils essaient de le manger. Le venin doit donc être efficace à 100% et provoquer la mort très rapidement."

Si un prédateur est petit, faible ou lent, il est essentiel que son venin soit capable de neutraliser presque instantanément pour éviter que les proies ne s'échappent ou se débattent. Dans de tels cas, il est facile de voir comment une toxicité élevée peut être sélectionnée.

L'économie joue aussi un rôle. Le taipan intérieur habite le cœur aride de l'Australie, où il est crucial que le venin provoque une mort certaine et immédiate. Dans le désert, chaque repas compte, le serpent ne peut donc pas se permettre d'en laisser un seul s'échapper.

Même ainsi, être capable de tuer 250 000 souris avec une seule bouchée semble un peu inutile. Lorsqu'on lui a demandé de rendre compte du nombre de décès de souris pouvant résulter d'une seule morsure de taipan, Wolfgang Wuster, un expert en venin de serpent de l'Université de Bangor, au Royaume-Uni, a une réponse simple.

La plupart des animaux venimeux ciblent un éventail spécifique et étroit d'espèces de proies, et ce sont ces espèces qui façonnent l'évolution de leur venin.

"C'est parce qu'ils ne mangent pas de souris de laboratoire", dit-il. "Regarder la létalité du venin pour ces souris n'a aucun rapport avec ce que fait le serpent dans la nature."

Bien que le test DL50 (dose mortelle 50 % et la quantité requise pour tuer la moitié d'un groupe de test) utilisant des souris soit le principal moyen d'évaluer la toxicité du venin, il est défectueux.

"Le modèle de souris permet d'acquérir des données standard", explique Robert Harrison, chef de l'unité de recherche sur le venin Alistair Reid à la Liverpool School of Tropical Medicine, au Royaume-Uni. "Mais les mammifères ne sont pas toujours le régime de préférence, donc la toxicité chez les mammifères est simplement une métrique standardisée qui n'a probablement aucune incidence sur la toxicité pour un amphibien, un arthropode ou un oiseau."

La plupart des animaux venimeux ciblent un éventail spécifique et étroit d'espèces de proies, et ce sont ces espèces qui façonnent l'évolution de leur venin.

Il en résulte une course aux armements co-évolutive. L'espèce de proie développe une résistance au venin, pour ensuite être confrontée à un venin plus puissant plus tard.

Je mettrais pas mal d'argent pour qu'il y ait une mère de rat coriace en Australie qui puisse survivre au venin de taipan

S'émerveiller du nombre de souris qui pourraient être tuées par une seule morsure de serpent a autant de sens que d'être surpris qu'un guépard puisse facilement dépasser une tortue. Le guépard n'a tout simplement pas évolué pour chasser les tortues, et par conséquent la tortue n'a pas évolué pour échapper aux guépards.

"Il n'y a pas de toxicité absolue", dit Wuster. "Si vous voulez savoir à quel point quelque chose est toxique, la première chose que je vais vous demander est : 'que voulez-vous tuer ?'"

Bien sûr ce n'est pas pour rien que les venins sont testés sur des souris. « L'essai a été principalement conçu pour établir la toxicité chez les mammifères, c'est-à-dire pour nous, afin d'éclairer la conception du sérum antivenimeux », explique Harrison.

Mais tous les mammifères ne sont pas aussi sensibles au venin. Les mangoustes, les écureuils terrestres et même les hérissons sont tous capables de survivre aux morsures de certains serpents qui pourraient facilement tuer les humains.

« Il existe une espèce de souris en Israël qui pèse 20 g et peut survivre à une morsure d'une vipère à écailles de scie qui vous ferait saigner, vous ou moi, de tous les orifices et en soins intensifs », poursuit Wuster. "Je mettrais pas mal d'argent pour qu'il y ait une mère de rat coriace en Australie qui puisse survivre au venin de taipan."

Si vous voulez savoir à quel point quelque chose est toxique, la première chose que je vais vous demander est : « que voulez-vous tuer ? »

Cette super-souris a probablement fait évoluer sa résistance à la morsure de vipère car c'est un élément clé de l'alimentation du serpent. Paradoxalement, certains animaux sont particulièrement vulnérables aux toxines précisément parce qu'ils sont spécifiquement ciblés par les animaux venimeux.

Les vipères à écailles de scie qui se nourrissent principalement de scorpions, par exemple, possèdent des venins spéciaux avec une toxicité accrue pour les scorpions. Un phénomène similaire a été observé chez les serpents corail, qui possèdent des venins ciblés qui sont plus toxiques pour leurs espèces de proies préférées, qu'il s'agisse de poissons, de rongeurs ou d'autres serpents.

Dans ces cas, il est probable que les espèces de proies en question ne subissent pas de pression pour développer des moyens de survivre au venin, car dans leur habitat, les serpents venimeux sont relativement rares. S'ils sont confrontés à des attaques d'une variété de prédateurs, dont les serpents ne constituent qu'une faible proportion, il y aura moins de pression sur eux pour développer de telles défenses spécifiques aux prédateurs et potentiellement à un coût énergétique élevé.

Aucune espèce venimeuse n'a évolué spécifiquement pour chasser les humains

La production de plusieurs toxines est également liée à l'évolution du venin, du moins pour commencer. Plus il y a de composants différents incorporés dans le venin, moins une espèce de proie est susceptible d'acquérir une immunité contre chacun. Par conséquent, les venins complexes pourraient être favorisés par la sélection naturelle.

Dans leur article récent, Sunager et Moran ont découvert que c'était effectivement le cas de groupes d'animaux, comme les serpents et les escargots, qui sont devenus venimeux relativement récemment dans le passé évolutif.

Certains animaux venimeux, tels que les méduses, les araignées et les mille-pattes, avec une histoire beaucoup plus ancienne d'être venimeux, produisent cependant moins de types de toxines différents. Il semble qu'ils soient passés par une deuxième étape d'évolution, où la sélection négative ou "purifiante" élimine la plupart des éléments de la toxine venimeuse et se concentre sur la préservation d'une petite poignée de toxines très puissantes.

Heureusement, aucune espèce venimeuse n'a évolué spécifiquement pour chasser les humains, et pourtant il existe des milliers de cas documentés de décès humains suite à des rencontres malheureuses avec des serpents, des méduses, des scorpions et d'autres créatures venimeuses.

Il existe une espèce de souris en Israël qui pèse 20 g et peut survivre à une morsure de vipère à écailles de scie

"Les primates ne semblent tout simplement pas enclins à développer une résistance au venin", explique Wuster. Il y a donc de fortes chances que quelque chose qui a développé un venin puissant pour abattre des cibles très résistantes possédera une puissance de feu plus que suffisante pour tuer un humain.

La malchance entre aussi en jeu. A bite from a Sydney funnel-web spider is extremely dangerous for humans, whereas rodents are relatively unaffected by their venom. Since these spiders evolved to eat neither rodents nor humans, this can be seen as nothing more than an unfortunate alignment of the spider's neurotoxin with a receptor on some of our cells.

It is of course important to study how venoms affect human physiology. Such studies have allowed us to develop antivenoms, as well as other drugs such as the blood pressure medication captopril, which is based on pit viper toxins.

To really understand them, however, we need to expand our horizons beyond humans and investigate how venoms are used in nature.

What should be clear is that toxins, like a lot of useful traits in the animal kingdom, come with a price.

Its small jaws and insufficient fangs mean it rarely bites anything much larger than a fish

Snakes, jellyfish and cone snails did not evolve powerfully potent venoms just for the sake of it. Their venoms are specialised, and capable of doing exactly the job they are meant for &ndash even if that job is not immediately obvious to us.

Back in Costa Rica, our guide manoeuvres the sea snake back into the water, gripped between two sticks, so as to prevent any less wary passers-by treading on it. I am satisfied that I have just avoided a grisly death as we continue with our walk.

Later I find out that I need not have worried. It turns out that our sea snake does not rank high on the list of venomous animals. What's more, even though its venom is certainly powerful enough to kill a human, its small jaws and insufficient fangs mean it rarely bites anything much larger than a fish.

And that is just fine as far as the sea snake is concerned. Fish are a natural part of its diet, and humans are not.


Snakes (General)

They might change physically, growing shorter, wider, longer, fatter, or their coloration might change to blend in with its surroundings.

Also, they have adapted their behavior patterns so they may be only active for only parts of the year, hiding in burrows during the hottest seasons or becoming active for a few short hours in the middle of the night. During the winter, these same species may become active only during the day to avoid cold night temperatures.

For example, one lung is father down the body than the other, and in most snakes, only one lung functions, Likewise, the kidneys are placed one ahead of the other, as are the testes in a male and ovaries in a female.

The liver in snakes is greatly elongated in comparison to birds, mammals or reptiles of similar size.

The digestive track of a snake is like those of other vertebrates in having an esophagus, stomach, and small and large intestines that lead to the cloaca, which is where both the feces and urine come out, as well as the reproductive organ.


Snake venom evolved to target just the right prey

Like wine, some snake venom is more complex than others. It all depends on the meal it is paired with.

New research can tell us why. The study shows that evolutionary diversity among prey – say, a combination of mice, turtles and fish – has been the key driver of venom complexity in rattlesnakes, copperheads and other North American pit vipers.

To arrive at this conclusion, researchers added data on the genes and proteins in venom samples to a century’s worth of previous studies of what snakes ate. The team found that a diet consisting of prey with the greatest evolutionary distance between common ancestors was associated with snake venom that contained the widest range of toxins.

Snake venom incapacitates prey by disrupting a variety of physiological processes, attacking the nervous system, blood-clotting capabilities, cell membranes and muscles. So, for example, a snake that eats mammals and amphibians would need venom that could act on the quite different constitutions found in each of those classes of animals.

“A mouse is a mouse is a mouse to a rattlesnake, whereas a mouse and a frog and a lizard are quite different – because of the way that they’re built, their physiology, and the way venom attacks them,” said H. Lisle Gibbs, professor of evolution, ecology and organismal biology at The Ohio State University and a co-author of the study.

The finding suggests that species richness – the number of different species in an ecological community – is not the driving force behind predator trait complexity. Instead, snake venom complexity has evolved in response to the divergence, or how distantly related prey species are, to mirror the divergence of the venom’s physiological targets.

“If we’re going to explain the origins and continued evolution and diversification of life, we need models and rules for what scenarios lead evolution to take one trajectory versus another. Do you become more simple or do you become more complex?” said first author Matthew Holding, a former graduate student in Gibbs’ lab who conducted this work as a postdoctoral researcher at Florida State University and Clemson University.

“We’ve seen the evolution of both more simple and more complex venoms over the past 12-18 million years, and we can now say why, and what drove it.”

Christopher Parkinson, professor of biological sciences at Clemson, is the senior author of the study.

The research is published online today (April 19, 2021) in the journal Actes de l'Académie nationale des sciences.

The study was a massive field-work and computational undertaking, involving capturing snakes in their natural habitats to collect their venom and the analysis of large sets of genetic data and historic ecological information to explore the evolutionary relationships between diet and venom complexity.

“What’s powerful about this study is really being able to link some very disparate dimensions of biodiversity together,” said study co-author Andrew Mason, a former Clemson postdoc who is now a postdoctoral researcher in Gibbs’ lab at Ohio State. “People have this misconception about venom, that it’s just this liquid that hurts you. But it’s tens of different proteins, and every species could have a different combination or set of them. This paper defines a fundamental rule for what governs the evolution of that trait.”

Researchers analyzed biological samples from 169 front-fanged venomous snakes, a group that includes rattlesnakes, cottonmouths and cantils, comparing the protein complexity of the venom itself to the genes that had been expressed in the venom glands. The data analysis allowed the scientists to confirm that what was seen at the genetic level reflected the complexity of venom based on its protein content, and also served as the basis of a new tree of evolutionary relationships for this group of snakes.

The data on snake diets came from previously published studies conducted over the years that examined stomach contents to determine what these snakes ate. The data showed an average of about six different classes of prey and an average divergence of prey species from their shared ancestors of 365 million years.

Adding data from existing evolutionary trees for different types of prey, the researchers produced a united tree representing prey species’ divergence to calculate diet diversity.

“We layered all of this information and produced correlations,” said Holding, now a postdoctoral research fellow at the University of Michigan. “We crunched the data together to find a single number that tells us how much variety there is in the diet of one snake versus another, and this showed the positive relationship between having a complex diet and having complex venom.”

In addition to answering an important evolutionary question, the research has practical implications for humans. The more that is known about venom, the better positioned scientists are to develop anti-venom agents to treat people bitten by snakes. The detailed genetic data gleaned from the snakes could also open up new possibilities for the use of venom proteins as the basis for clot-busting and pain medications.

“That knowledge alone is really valuable from a public health perspective,” Gibbs said. “Many of these snakes have never been characterized in this amount of detail.”

The international team of scientists from the United States, Mexico and Brazil conducting this work is supported in part by a National Science Foundation Dimensions of Biodiversity grant.


The Animals That Venom Can’t Touch

In 1976, a student at the Texas A&M University-Kingsville was tasked with feeding the snakes in what is now the university’s National Natural Toxins Research Center. Thinking it didn’t make much difference what kind of rodent the serpents ate, the student offered one of the Center’s western diamondback rattlesnakes a plump, fuzzy woodrat. The snake attacked by sinking its fangs into the rat’s fur—a maneuver that’s usually followed by near-instant hemorrhaging, clotting in the liver, and cardiac arrest.

But instead of keeling over, the rodent stared back at the God of Death and whispered:

Now, the woodrat is no honey badger, the snake-defying creature crowned by the internet as the namesake of casual badassery. Woodrats weigh less than a pound, have neither large claws nor crazy fangs, and certainly don’t look capable of tangoing with a full-grown rattlesnake. And yet, when the scientists repeated the trial, they found that the woodrats not only held their own against the rattlers, the rodents sometimes scratched and bit the snakes. à mort. Woodrats, as it turns out, are immune to rattlesnake venom. 

Makes sense, right? If you’re a cute little ball of fur that lives in rattlesnake country, then it’d sure be swell to be able to take a bite or two and still make it to hot yoga on time. For woodrats, venom immunity is like having a can of Fix-A-Flat in the car: You hope you never need it, but it’s handy in a pinch.

In our reverence for the venomous, are we overlooking an equally admirable group of animals? (All Canada Photos / Alamy)

The scorpion’s sting. The rattlesnake’s bite. The jellyfish’s slimy embrace. We humans spend a lot of time standing in awe and fear of the world’s most venomous creatures. Which makes sense: Any animal that can kill with little more than a prick of the skin is worthy of our respect. But there is a whole other class of creatures that does not cower before the venomous villains of the wild. These are the venom-immune. And they don’t give a cuss.

In fact, numerous critters have shown a honey-badger-like moxie when it comes to weathering the effects of chemical weapons. In the mammalian realm, hedgehogs, skunks, ground squirrels, and pigs have shown resistance to venom. Some scientists even believe the lowly opossum, which wields a venom-neutralizing peptide in its blood, may hold the key to developing a universal antivenom. Egyptian mongooses may be even more venom-indifferent than opossums, but alas, their protections don’t seem to be transferable. (Instead of antivenin blood, mongooses possess mutations on their very cells that block snake neurotoxins like a wad of gum in a keyhole.)

In this venom-fighting menagerie, woodrats are an exception of sorts. “Venom resistance is expensive and only works on certain predators, while other adaptations might be cheaper,” explains Christie Wilcox, author of the new book Venomous: How Earth’s Deadliest Creatures Mastered Biochemistry. In fact, venom resistance is far more common in those who eat venomous animals than those who venomous animals regularly feed upon.

For instance, grasshopper mice can shrug off the paralyzing effects of bark scorpions, upon which they feast. Same goes for the fan-fingered geckoes of the Middle East and the yellow scorpions they hunt. And Texas horned lizards are� times more resistant to harvester ants than mice, a general indicator of toxicity.

Why would venom resistance evolve in predators more often than prey? Well, think of it this way: if you’re a predator, the number of dishes you can partake in at the buffet gets a lot larger if you can eat the spicy dishes everyone else is afraid of. You just have to figure out a way to neutralize the venomous animal’s hot sauce. Not only might this mean the difference between satiation and starvation, but it could be the difference between reproducing once versus four times over the course of the animal’s life.

“Those are big fitness consequences,” says Danielle Drabeck, an evolutionary biologist at the University of Minnesota and lead author of a Toxicon paper in 2015 that investigated the origins of honey badger immunity.

Plus, when you get right down to it, venomous creatures are pretty wimpy. “Snakes are limbless, small-boned, little bags of meat,” says Drabeck. “Even venomous snakes only have one pointy-end.” The same goes for cone snails, wasps, jellyfish, ants—take away their magical weapons and they’re almost pitiful. (OK, scorpions could still pinch, but that makes them about as formidable as a hermit crab.)  

A leatherback sea turtle photographed in the open ocean off of Florida. (Michael Patrick O'Neill / Alamy )

Besides mammals and lizards, there are plenty of snakes that are immune to snake venom. In some cases, it may be that immunity prevents the serpents from inadvertently committing suicide when they miss a mouse and hit themselves instead. (You know what it’s like to bite your cheek while you’re eating? Now imagine you’re venomous.) But in other cases, immunity points towards ophiophagy, or snake-eating.

“Venomous snakes exist in ecosystems as both predators and prey,” says Drabeck, “and in truth we understand relatively little about how their role as prey has shaped their evolution.” In fact, it’s entirely possible that snake venom first evolved as a defense mechanism: “Are the predatory uses of venoms more of a bonus side effect than their most important evolutionary purpose?” asks Wilcox, who is also a biologist studying jellyfish venoms at the University of Hawaii’s Pacific Cnidaria Research Laboratory.

“These are the kinds of questions that keep venom scientists up at night.”

By the way, you don’t need to have a fancy molecular mechanism to defeat venomous creatures. Some creatures just evolved really, really thick skin. (The honey badger has both: molecular defenses against cobra venom's neurotoxins, and loose, thick skin to help it avoid getting struck in the first place.)

Just look at leatherback sea turtle, says Wilcox. These oceanic behemoths make a living slurping up super-venomous jellyfish, stinging tentacles and all, like it ain’t no thing. As far we know, leatherbacks are not immune to the jellyfish’s sting. It’s just that they never get stung. From their shells and scaly skin to an esophagus that looks like the business end of a Sarlacc, the turtles have evolved countermeasures that prevent jellyfish from delivering their microscopic venom harpoons.

 Of course, all of the turtle’s defenses might be rendered moot if it ate a poisonous animal as opposed to a venomous one. But that’s a whole other story. 


Snake Venom and Medicine

In addition to the development of anti-venom, the study of snake venoms and their biological actions has become increasingly important for the discovery of new ways to fight human diseases. Some of these diseases include stroke, Alzheimer's disease, cancer, and heart disorders. Since snake toxins target specific cells, researchers are investigating the methods by which these toxins work to develop drugs that are able to target specific cells. Analyzing snake venom components has aided in the development of more powerful pain killers as well as more effective blood thinners.

Researchers have used the anti-clotting properties of hemotoxins to develop drugs for the treatment of high blood pressure, blood disorders, and heart attack. Neurotoxins have been used in the development of drugs for the treatment of brain diseases and stroke.

The first venom-based drug to be developed and approved by the FDA was captopril, derived from the Brazilian viper and used for the treatment of high blood pressure. Other drugs derived from venom include eptifibatide (rattlesnake) and tirofiban (African saw-scaled viper) for the treatment of heart attack and chest pain.


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