非凡的入侵物种和一种非常毒的蟾蜍。摄影：Chris Ison 当时，这似乎是合乎逻辑的做法。澳大利亚农民们焦头烂额。那是 20 世纪 30 年代，甲虫正在毁坏他们的庄稼，尤其是甘蔗。据说有一种蟾蜍非常喜欢吞食这些为患的害虫，这种蟾蜍曾成功引入夏威夷以控制甘蔗田里的甲虫。澳大利亚人当然可以转向杀虫剂，但杀虫剂价格昂贵，而且通常对人和环境有害。如果蟾蜍可以引入一次，为什么不能再引入一次呢？为什么他们不能用一种无害的小两栖动物一劳永逸地解决他们的虫害问题呢？于是，在 1935 年，两箱甘蔗蟾蜍（甘蔗蟾蜍；以前称为海龟蟾蜍）抵达澳大利亚。这些蟾蜍将繁衍出超过 15 亿的后代，争夺史上最差入侵物种的称号。甘蔗蟾蜍并不吃它们被引入来消灭的甲虫，但它们似乎什么都能吃，只要能塞进它们相当大的嘴里（这些动物可以长到 1 英尺多长，重达几磅！）。同样具有破坏性的是，大陆上没有任何东西能吃掉它们——与其他鼓蟾蜍一样，甘蔗蟾蜍也携带着一种强效毒素，可以杀死那些希望能快速咬上一口“炸牛蛙腿”的毫无防备的捕食者。它们携带的毒素被称为蟾毒素，会攻击心脏。当潜在的捕食者吞下蟾蜍的防御性粘液时，毒素会通过血液进入心肌，在那里它们会与收缩的一个关键分子成分结合：一个将钠钾离子跨膜运输的泵。如果没有这个泵正常工作，心脏就无法正常跳动，导致危及生命的情况，通常是死亡。澳大利亚的捕食性动物并没有与这些有毒蟾蜍共同进化，因此它们对毒素没有天生的防御能力，结果是毁灭性的。
一只澳大利亚巨蜥，是被入侵蟾蜍消灭的许多捕食性物种之一。照片由 Thomas Madsen 提供 “我从 1989 年开始在福格水坝保护区和邻近的阿德莱德河洪泛区进行野外考察，”澳大利亚伍伦贡大学生物科学学院的科学家 Thomas Madsen 解释道。但到了 2000 年，入侵前沿已经逼近 Madsen 的研究地点。 Madsen 知道本地捕食者可能会受到这种有毒新猎物的伤害，因此他和他的妻子 Beata Ujvari 开始计数和追踪巨蜥（一种大型本地澳大利亚爬行动物），以便在甘蔗蟾蜍到来之前估计当地种群数量。“2005 年 10 月，我们在研究区域发现了第一只甘蔗蟾蜍，”Madsen 说。“到 2009 年，我们的研究地点几乎灭绝了巨蜥。”
一只死去的巨蜥旁边是它的杀手：一只它试图吞食的甘蔗蟾蜍。照片由 Thomas Madsen 提供 但与此同时，澳大利亚的捕食者却成为了蟾蜍毒素的受害者，而它们在亚洲和非洲的亲戚却能轻易地吃掉甘蔗蟾蜍及其有毒的近亲。事实上，最初来到澳大利亚的巨蜥很可能也像它们的表亲一样，对蟾毒素具有抵抗力。因此，Madsen 和 Ujvari 想知道在过去的 15-25 年里发生了什么，使得这些蜥蜴变得如此脆弱。为了找出答案，他们与利物浦热带医学院 Alistair Reid 毒液研究部的 Nick Casewell 合作。他们一起研究了具有和不具有蟾毒素抵抗力的爬行动物的钠钾泵基因。“与非洲-亚洲巨蜥相比，我们发现，仅仅两个氨基酸的变化就导致澳大利亚巨蜥对蟾蜍毒素高度敏感，”Madsen 说。研究人员发现，抵抗力至少进化了四次，都涉及相同的两个变化。但是，他们也发现，一旦一个具有抵抗力的谱系成员停止食用蟾蜍——就像当巨蜥来到最初没有蟾蜍的澳大利亚时——基因就会逆转，这表明对毒素的抵抗力是有代价的。“所以现在我们知道了为什么澳大利亚巨蜥在试图捕食引入的甘蔗蟾蜍时会死亡……澳大利亚巨蜥已经失去了对蟾蜍毒素的抵抗力，”Madsen 说。
对蟾毒素的抵抗力进化了四次！图 1 来自 Ujvari 等人，2015 年 虽然爬行动物的结果令人兴奋，但 Casewell 想知道其他动物是如何进化出对蟾毒素的抵抗力的。于是他扩大了搜索范围，研究了从昆虫到两栖动物甚至哺乳动物的基因。“最令人惊讶的是，有如此多种类的动物以极其相似的方式进化出了抵抗力，”Casewell 说。“在我们能够获得数据的动物中，我们发现了非常相似的抵抗性变化。”进化已经一遍又一遍地重复了。“之前有描述过少量突变就可以导致对毒素的抵抗力，”Casewell 解释说，“但我们的结果表明，在这个系统中，进化可供选择的选项是有限的，因此当动物遇到类似的强大选择压力时，抵抗力就会被引导到可重复的途径。”
在许多不同物种中产生抵抗力的相同变化。图 2 来自 Ujvari 等人，2015 年 如果进化是可以重复的，那么这就引出了一个问题：澳大利亚巨蜥能否在甘蔗蟾蜍入侵之前及时恢复其抵抗力？“这很难预测，”Caswell 说。到目前为止，前景并不乐观：Madsen 和 Ujvari 已经研究了许多澳大利亚爬行动物的基因，但没有一种具有其中一种抵抗突变，更不用说两种了。引用：Ujvari, Beata, et al. "Widespread convergence in toxin resistance by predictable molecular evolution." Proceedings of the National Academy of Sciences (2015): 201511706. doi: 10.1073/pnas.1511706112 有关这种进化如何发生，请参阅这个很棒的视频，来自 Stated Clearly：https://www.youtube.com/watch?t=2&v=DlhpvcgK_28
