צפרדע חץ רעילה אינה מהווה, למעשה, מין אחד אלא קבוצה של מיני צפרדעים במשפחה "Dendrobatidae". צפרדעים אלה הן מהיצורים הרעילים בעולם, ובקבוצה זאת בולט במיוחד המין צפרדע חץ זהובה. רעילותן כה חזקה, שדי בשני מיקרוגרם (2 מיליוניות הגרם) מהחומר הפעיל בגופה כדי להמית אדם בוגר. רעל עוצמתי זה אינו מיוצר באיברי גופה של הצפרדע, אלא נקלט ממזונה – אם נסיר את הצפרדע מסביבתה הטבעית היא תאבד את רעילותה; היא מייצרת ומזקקת את הרעל הזה מחרקים רעילים מהם היא ניזונה, ובדומה לה חרקים אלה סופגים בתורם את הרעלים מצמחים רעילים מהם הם ניזונים.
בעלי חיים רעילים נוספים שייכים למשפחת הנפוחיתיים (מוכרים בשפת העם "אבו נפחא"), ובולט במשפחה זו מין הדג פוגו. לדג זה איבר הקשור לרעלן עצבי (נוירוטוקסין) התוקף את מערכת העצבים, כשהרעל מיוצר מחיידק הגדל באיבריו של הדג. ישנם מינים רבים אחרים הנחשבים רעילים, לרבות הציפורים מסוג פיטוהוי עטוי, המפרישות רעל מבלוטות בגופן ומושחות אותו על נוצותיהן כאמצעי הגנה.
בעל חיים ארסי, לעומתו, מעביר את הארס מגופו לקורבן באופן ישיר באמצעות פציעה חיצונית של גוף המותקף, בהכשה או בעקיצה, כמתואר לעיל. יוצאי דופן מהגדרה זאת הם "יורקי הארס" כמו הקוברה היורקת, שמתיזה את ארסה בנוסף להכשה, וכן עקרבים מסוג "Parabuthus" אשר בדומה מסוגלים להתיז ארסם בנוסף לעקיצתם.
אבולוציית הארס בבעלי החיים.
במשך מאות מיליוני שנים השתמשו טורפי העל בעולם בכוחם הרב, בגודלם או בזריזותם כדי להכניע את טרפם. ייצור הארס הוא תופעה יוצאת דופן המאפשרת להכניע את הטרף ולהתגונן בדרך שונה. בסוגי ארס שונים קיימים מגוון מרכיבים, חלקם כה מורכבים שנדרשו למדע שנות מחקר רבות והשקעה כספית גדולה על מנת לזהות, לבודד ולהבין כל אחד מהם ואת אופן פעולתם על האורגניזם החי. קיימים אף מרכיבים בסוגי ארס מסוימים שהרכבם הביוכימי אינו ידוע או מובן לגמרי עד היום. הארס הוא נשק ביולוגי כה משוכלל ויעיל, שידוע כי התפתח אבולוציונית לכל הפחות 26 פעמים במגוון גדול של בעלי חיים בעץ הטקסונומי, החל ממדוזות קובייתיות, שארסן רעיל יותר במאות מונים מזה של רב פתן מלכותי וכלה בעכבישי משפך אוסטרליים. קיימים כיום פרוקי-רגליים ארסיים, כרישים ארסיים ואף יונקים ארסיים, כגון ברווזן, לוריס איטי, סולנודוניים וחלק מהחדפיים.
הארס הוא חומר ביולוגי הנוצר בתהליך של ביוסינתזה מורכבת, וחלק ממרכיביו פועלים במשולב, ויוצרים תופעות הרסניות שאופן פעולתם אינו מובן לגמרי גם היום. מגוון ושונוּת הארס בין בעלי החיים הוא גדול. בארס של בעל חיים אחד עשויים להיות מספר גדול של סוגי רעלנים שכל אחד מהם כשלעצמו בעל השפעה שונה וקטלנית (בדומה לחרוטיים), ובארסו של בעל חיים אחר יכולים להיות מספר כימיקלים שכל אחד מהם כשלעצמו אינו מזיק אולם השילוב ביניהם קטלני (בדומה לצפע מצוי). הארס מורכב מסוגי חלבונים המהווים אבני יסוד אוניברסליים בגופם של כל בעלי החיים ואחראים על התפקוד התקין במערכות שונות בגוף, כגון מחזור הדם, מערכת העיכול ואפילו האיזון הכימי במוח. הארס נוצר כאשר סוגי חלבונים אלה עברו במהלך האבולוציה מוטציות, והתפתחותם החדשה התהפכה כך שכוחה לבצע פעולה הפוכה לפעולתם המקורית, ולפגוע בתפקודים הבסיסיים של הגוף. אולם שינויים אלו הם שינויים קלים בלבד, והם דומים מאוד לחלבון המקורי. פרופ' פריי ערך ניתוח גנטי של 24 חלבוני ארס שונים כדי להתחקות אחר מקורם. הנחת העבודה של פריי הייתה כי ארס אינו יכול להתפתח מכלום, אלא סביר שבמהלך האבולוציה גן השתכפל במקרה למוטציה. מתוך 24 החלבונים שבדק פריי, הוא הצליח לזהות ב-21 מקרים את הגן המקורי שמהם התפתח הארס. הוא מצא דמיון ברצף חומצות האמינו המרכיבות את החלבון המקורי. פריי גילה כי ארס התפתח מחלבונים בעלי תפקידים בכל המערכות בגוף. לדוגמה, מחלבון המעורב בשליטה על פעולת השרירים התפתח ארס הגורם לשיתוק השרירים ולכשל נשימתי, ומחלבון המווסת את לחץ הדם בגוף נוצר עותק דומה הגורם לנפילה פתאומית בלחץ הדם. ההבדלים בין החלבונים המקוריים שמועילים לגוף וחיוניים לתפקודו לבין אלה שהתפתחו מהם רעלנים הם זעירים, הן מבחינת רצף חומצות האמינו והן מבחינת המבנה שלהם.
זוחלים.
עד לפני שנים אחדות היה נהוג לחשוב כי ארס התפתח בקבוצת הזוחלים מנחשים. ידוע שלנחשים קדומים היה ארס, אולם ללא מערכת מפותחת של העברתו לטרף כפי שהיא קיימת היום, כלומר ללא שיני ארס חלולות ומשוכללות המזריקות אותו הישר אל הרקמות וכלי הדם. עובדה זו הובילה למחקר שנמשך חמש שנים באוניברסיטת מלבורן שבאוסטרליה בראשות פרופסור בריאן פריי להבנת אבולוציית הארס בקבוצת הזוחלים ולגילוי מקור התפתחותו הקדום. נחשים התפתחו מלטאות לפני כ-100 מיליון שנה, לכן המחקר עבר להתמקד בלטאות. לפני המחקר היה ידוע על שני סוגי לטאות ארסיות בלבד מתוך כ-5,000 סוגים הקיימים כיום, והם נחשבו לתופעה חריגה. לצורך המחקר נאספו דגימות רוק של לטאות ממינים רבים ככל האפשר, והמולקולות הפעילות בו בודדו בתנאי מעבדה. מולקולות אלו נוסו על רקמות בעלי חיים והתגלה שהן פירקו את שריר הלב והרעילו את הריאות באופן שדמה לפעולת הארס של סוגי נחשים מסוימים החיים כיום. היה זה גילוי ראשון של צורת פעולה איטית של ארס ממה שהוכר עד אז. מחקר חדשני ומקיף זה הוביל לגילוי של מרכיבי ארס הדומים לאלה של הנחשים בלמעלה מ-1,500 מיני לטאות החיות כיום, בעלי שוני גדול במורכבותם בקרב מינים אלה.
דוגמה בולטת לכך היא לטאת דרקון קומודו, מהקדומות בלטאות החיות כיום. עד השנים האחרונות היה נהוג לחשוב כי רוק לטאה זו, המכיל למעלה מ-80 סוגים שונים של חיידקים פתוגניים, מועבר בנשיכת שיניה החדות של הלטאה אל פצע הטרף וגורמות למותו כתוצאה מאלח דם. אולם מחקר מקיף זה, שכלל גם את נפגעי נשיכת הלטאה זו, הראה דימום מסיבי, כאב שרירים ורעילות עצבית בשעות הראשונות מרגע הפציעה – תסמינים האופייניים לפגיעה מרעלנים ולא מחיידקים.
מחקרים אלו גילו שהסברה הקודמת מוטעית, ושהמוות נגרם גם כתוצאה מארס של לטאת דרקון קומודו שקיומו לא היה ידוע בעבר. המחקר הראה שללטאה זו יש ארס הפועל באופן איטי יותר מזה של נחשים, ואף גילה לראשונה בלוטות ארס בלסת התחתונה של הלטאה. מערכת העברת ארס זאת חשפה דרך קדומה להעברת הארס אל הטרף, והוכיחה כי מקור הארס בזוחלים אינו בנחשים, כפי שהיה נהוג לחשוב עד אז, כי אם בלטאות – כלומר מיליוני שנים לפני הופעת הנחשים. עוד הוכיח מחקר זה כי מרכיבים כימיים שנמצאו בארס הלטאות זהים למרכיבים כימיים בארס הנחשים החיים כיום, וכך הוסק שמקורם באב קדמון משותף.
פרוקי-רגליים.
באבולוציה תופעה משמעותית נוטה להופיע יותר מפעם אחת, כדוגמת התפתחות העיניים או הלסתות בבעלי החיים. הארס הופיע בדגים, ביונקים וגם בפרוקי-רגליים. ארס מעניק יתרון ברור נגד המתחרים. השאלה המרכזית אם כך היא – "מדוע לא כל בעלי החיים פיתחו ארס?". מחקר באוניברסיטת לומה לינדה שבקליפורניה, בראשות פרופסור זיאה ניסני על עקרבים, הוכיח סיבות ברורות לכך. מחקר זה הראה כי לעקרב ארסי יתרון ברור על פני האחרים, אולם יש לו חסרונות בולטים. לצורך ניסוי הוא רוקן את בלוטות הארס של עקרב אחד באמצעות חליבה ומדד את תצרוכת החמצן שלו בעימות מול עקרב מאותו מין שבלוטות הארס שלו מלאות. העקרב מרוקן הארס הראה מאמץ הגדול יותר מהשני ב-50%, והפגין תשישות המקבילה לזו של אצן בסיומו של מרוץ. כשם שגופו של אתלט מתאמץ לחדש את מלאי החלבון והאלקטרוליטים, גופו של עקרב לאחר התרוקנות הארס מפנה את מרב האנרגיה שלו לייצור הנכס המשמעותי ביותר שלו – הארס. לאחר שימוש בארס, הגוף צורך אנרגיה רבה לשם ייצורו מחדש. חיסרון נוסף שגילה המחקר הוא שלאחר התרוקנות הארס העקרב נותר פגיע וחסר הגנה מפני טורפים, היות שמלאי הארס שלו יתחדש רק בחלוף ארבעה ימים מרגע התרוקנות בלוטות הארס. בזמן זה הוא יוכל להתמודד עם טרף קטן משמעותית, מה שיעניק יתרון למתחריו השונים.
הסבר נוסף לכך שארס אינו תופעה נפוצה הרבה יותר בממלכת בעלי החיים הוא שארס מצריך אמצעי העברה מורכב לצורך פעולתו, לדוגמה:
לבעלי חיים שונים דרך ייחודית להעברת הארס, ומכל אחד מהם הנדסה ייחודית זאת גובה מחיר כבד המתבטא בהשקעת אנרגיה גדולה לשם כך על חשבון משהו אחר. לדוגמה, מערכת הרבייה של הדבורים והנמליים השתנתה במרוצת האבולוציה ומשמשת כעוקץ המעביר את הארס, אצל הברווזן בלוטות זיעה התפתחו לבלוטות ארס, ואצל הנחשים בלוטות הרוק התפתחו לבלוטות ארס. דוגמאות מסוג זה ממחישות כי תכונה אחת באה על חשבון האחרת.
אם נשווה ארס במידת השפעתו ביחס ישיר לכמותו, אזי לפרוקי-הרגליים מסוימים קיים ארסנל נשק ביולוגי-כימי מהחזקים בעולם החי. כל אחד ממיני פרוקי-הרגליים האלה פיתח מערכת משוכללת מאוד של העברת הארס, אם בצורת עוקץ (נמלת הקליע, עקרבים, צרעות), באמצעות הניבים (נדלים), או איבר ההִיפּוֹסְטוֹם (קרציות).
המניע להתפתחות הארס.