Około dekady temu biolog ewolucyjny Richard Merrill spędzał kilka godzin dziennie w „gorącej, parnej Panamie”, siedząc w klatce wypełnionej motylami Heliconius, czekając, aż uprawią seks.
„Brzmi czarująco, prawda?” Śmieje się.
Merrill śledził, czy męskie hybrydowe motyle Heliconius będą flirtować - w postaci unoszących się lub ścigających - z czerwonymi skrzydłami Heliconius melpomene rosina lub białoskrzydłymi motylami Heliconius cydno chioneus . Udokumentował to zaloty motyli w celu zbadania preferencji mieszańców, które on i jego zespół później zbadaliby na poziomie genetycznym.
W naturze hybrydy motyli Heliconius są rzadkie. Heliconius melpomene i Heliconius cydno są bardzo trujące, ponieważ rozwinęły się w celu produkcji własnego cyjanku, a drapieżniki nauczyły się dokładnie, jak wyglądają oba te toksyczne owady. Jeśli jednak oba gatunki krzyżują się, ich wzór skrzydeł staje się dezorientującym połączeniem obu wzorów kolorów, dzięki czemu motyle hybrydowe są wyróżniającym się celem drapieżników. W rezultacie życie hybryd często kończy się, zanim będą mogły się rozmnażać.
W artykule opublikowanym wczoraj w czasopiśmie PLOS Biology Merrill i jego koledzy po raz pierwszy potwierdzili, że preferencyjne zachowanie godowe u tych motyli jest rzeczywiście zapisane w ich DNA. W szczególności jego zespół znalazł tylko trzy części genomu, które kontrolują co najmniej 60 procent zachowań związanych z wyborem partnera.
„To pokazuje, że złożone zachowanie, takie jak preferencje partnera, może być powiązane tylko z trzema regionami genomu”, mówi Erica Westerman, biolog ewolucyjny z University of Arkansas, który nie był zaangażowany w badanie. „Uważa się, że jest to związane z wieloma obszarami genomu. Pozwoli nam to zastosować ukierunkowane podejście, aby zobaczyć, jak te geny wpływają na zachowanie tych motyli. ”
Tutaj dwa gatunki - Heliconius cydno, lewy i Heliconius melpomene, prawy - sądy w owadach. Na wolności jest to bardzo rzadkie, ale naukowcy mogą skłonić ich do zrobienia tego w niewoli. (Luca Livraghi) Dokładnie to, w jaki sposób te dwa motyle Heliconius pozostają odrębnymi gatunkami, jest nadal tajemnicą. Specjację lub proces tworzenia nowego gatunku można łatwo wyjaśnić, gdy istnieją granice geograficzne, takie jak góry, aby fizycznie podzielić pojedynczy gatunek na dwa. Zastanawia naukowców, że H. melpomene i H. cydno żyli obok siebie w tych samych ekosystemach, walcząc o te same zasoby przez ponad milion lat. Jednak kolorowe, trujące motyle pozostają dwoma odrębnymi gatunkami, odmawiając łączenia się w pary i łączenia ich cech genetycznych.
Jest to doskonała demonstracja koncepcji biologicznej zwanej izolacją reprodukcyjną, która uczyniła motyle Heliconius podstawowymi podmiotami badań ewolucyjnych od ponad 100 lat. Naukowcy wysuwają hipotezę, że izolacja reprodukcyjna jest utrzymywana, w niektórych przypadkach, poprzez potężne dobieranie skojarzone, co oznacza, że organizm rozmnaża się tylko z partnerem, który wygląda jak oni. Dlatego barierą, która je dzieli, nie jest środowiskowa, ale raczej genetyczna.
Merrill, który obecnie mieszka na Uniwersytecie Ludwiga Maximiliana w Monachium, wraz ze współpracownikami zastosował metodę, która pokazuje, które obszary genomu mają największy wpływ na zachowanie godowe, ale nie wskazały dokładnych genów. Mimo to ich analiza była wystarczająco jasna, aby wykazać, że jeden z trzech regionów, który wpływa na preferencje krycia, znajduje się w pobliżu genu zwanego optix, o którym wiadomo, że kontroluje żywe wzory czerwonych skrzydeł w H. melpomene . ( Optix ma tak silny wpływ na kolor, że włączanie i wyłączanie go za pomocą narzędzia do edycji genów CRISPR może sprawić, że skrzydła motyla będą całkowicie bezbarwne.) W rzeczywistości ten region genetyczny ma tylko 1, 2 centorgorga - jednostki używane do pomiaru odległości między genami na chromosomie - z dala od genu optix .
Fakt, że łańcuchy genetyczne kontrolujące preferencje partnera są tak bliskie optix, gen, który tworzy wzory skrzydeł, a także niektóre inne wskazówki wizualne, ma ekscytujące implikacje dla badaczy badających ewolucję zachowań, takich jak preferencje kojarzenia.
Motyl Heliconius melpomene rosina spoczywa na kwiatku. (Richard Merrill) „[To badanie] zapewnia wiele wglądu w to, jak fizycznie preferencje są powiązane” - mówi biolog ewolucyjny Susan Finkbeiner z University of Chicago, który nie był zaangażowany w badanie. Badania potwierdzają ideę, że „wzór koloru przedwczesnego i preferencje dotyczące tego konkretnego koloru przedwczesnego są powiązane ze sobą”.
Jeśli zachowanie godowe i preferowana cecha rzeczywiście są fizycznie uwikłane w pojedynczy chromosom, wówczas oba z łatwością zostaną przekazane następnemu pokoleniu, utrzymując swoistą barierę genetyczną między dwoma gatunkami. „Możemy ewoluować nowe gatunki bez wywoływania barier fizycznych, takich jak morza czy góry”, mówi Merrill.
Drugie badanie wykazało, że chociaż przeżycie hybrydowe jest rzadkie, w ciągu ostatniego miliona lat stało się wystarczająco, że te dwa motyle mają dziesięć razy więcej materiału genetycznego niż ludzie i neandertalczycy. Wydaje się, że nawet kilka zdarzeń krzyżowania może mieć silny wpływ na genetykę.
W badaniach prowadzonych przez biologa ewolucyjnego Simona Martina z Uniwersytetu Cambridge wykorzystano sekwencjonowanie całego genomu dziewięciu populacji Heliconius w celu wskazania obszarów DNA motyli, w których hybrydyzacja i selekcja naturalna wpłynęły z czasem na genetykę organizmu. Fakt, że gatunek pozostaje tak wizualnie odrębny pomimo bardzo podobnych genomów, potwierdza, jak potężne siły ewolucyjne kształtują drzewo życia.
„Nie ma tylko jednej ścieżki ewolucyjnej” - mówi Martin. „To sieć lub sieć. Ale moje badanie pokazuje, że jest to przewidywalne. W tej złożonej sieci życia istnieje piękny, przewidywalny wzór. ”
Ostatecznie wyniki Martina, opublikowane również w PLOS Biology, również wzmacniają odkrycia Merrilla, pokazując, że oba gatunki pozostają osobne z powodu silnych barier genetycznych w ich DNA, które powstały w wyniku naturalnej selekcji - barier takich jak związek między optix a preferencjami reprodukcyjnymi. Więzi między kolorem skrzydła a preferencją partnera nie można utracić nawet u motyli hybrydowych, ponieważ dwie cechy genetyczne są tak ściśle powiązane - być może nawet napędzane przez te same geny. Takie bariery genetyczne sprawiają, że specjacja jest przewidywalna pomimo dowodów historycznych zdarzeń hybrydyzacji.
„Istnieje przewidywalność ze względu na dobór naturalny” - mówi Martin. „Nie tylko w tworzeniu gatunków, ale także w określaniu, które geny są przekazywane, a które nie [, ] podnoszą roli doboru naturalnego w ewolucji”.
Kolejnym krokiem Merrill jest znalezienie precyzyjnych genów leżących u podstaw zachowania polegającego na preferowaniu koloru skrzydła. Zastanawia się nad wykorzystaniem uczenia maszynowego i kamer wideo, aby umożliwić zespołowi zebranie większej ilości danych następnym razem.
„Próbujemy opracować metody automatyzacji tego procesu”, mówi Merrill. Gdy zespół ma określone geny, na które ma być skierowany cel, mogą użyć CRISPR do przeprowadzenia badań nokautowych i obserwacji, jak zachowują się motyle bez genów, które mają kontrolować ich zachowanie.
Bez genów kontrolujących wybiórcze wybarwienie skrzydeł motyli Heliconius dwa osobne gatunki mogłyby być bardziej skłonne do łączenia się w pary. Aby się jednak upewnić, Merrill może wrócić do klatki dla motyli w Smithsonian Tropical Research Institute i usiąść i czekać, czy uda mu się złapać jakieś działanie owadów międzygatunkowych. Chociaż nie miałby nic przeciwko.
„Nigdzie indziej na świecie nie można by zrobić tego badania” - mówi.
