În urmă cu aproximativ un deceniu, biologul evoluționist Richard Merrill ar petrece câteva ore pe zi în „Panama fierbinte, aburită”, așezat într-o cușcă umplută cu fluturi Heliconius, așteptând să facă sex.
„Pare glamour, nu?” Râde el.
Merrill urmărea dacă fluturii hibrizi hibridi masculi vor flirta - sub formă de înfășurare sau de alergare - cu fluturi cu aripi roșii Heliconius melpomene rosina sau cu fluturi Heliconius cydno chioneus cu aripi albe . El a documentat acest cortegiu de fluturi pentru a studia preferințele mate ale hibrizilor, pe care el și echipa sa le vor examina ulterior la nivel genetic.
În natură, fluturii hibrizi Heliconius sunt rare. Heliconius melpomene și Heliconius cydno sunt ambele foarte otrăvitoare, au evoluat pentru a produce propria cianură, iar prădătorii au aflat exact cum arată ambele aceste insecte toxice. Cu toate acestea, dacă cele două specii se împletesc, modelul lor de aripă devine un mash-up dezorientant al ambelor modele de culori, făcând fluturii hibrizi să devină o țintă de prădare. Drept urmare, viața hibrizilor se sfârșește adesea înainte de a se putea reproduce.
Într-o lucrare publicată ieri în jurnalul PLOS Biology, Merrill și colegii săi au confirmat pentru prima dată că comportamentul preferențial de împerechere în acești fluturi este într-adevăr scris în ADN-ul lor. Mai exact, echipa sa a găsit doar trei părți ale genomului care controlează cel puțin 60 la sută din comportamentul de alegere a partenerului.
„Ilustrează faptul că un comportament complex precum preferința mate poate fi asociat cu doar trei regiuni ale genomului”, spune Erica Westerman, biolog evoluționist la Universitatea din Arkansas, care nu a fost implicat în studiu. Acest lucru este considerat a fi asociat cu o mulțime de zone ale genomului. Ne va permite să luăm o abordare orientată pentru a vedea cum influențează aceste gene comportamentul acestor fluturi. ”
Aici cele două specii - Heliconius cydno, la stânga și Heliconius melpomene, la dreapta - se află într-un insectar. Este foarte neobișnuit în sălbăticie, dar oamenii de știință îi pot induce să o facă în captivitate. (Luca Livraghi) Exact modul în care acești doi fluturi Heliconius rămân specii separate este încă ceva de mister. Speciația, sau procesul de creare a unei noi specii, este ușor de explicat atunci când există granițe geografice, precum munții, pentru a împărți fizic o singură specie în două. Ceea ce încurcă oamenii de știință este faptul că H. melpomene și H. cydno trăiesc unul lângă altul în aceleași ecosisteme, concurand pentru aceleași resurse, mai mult de un milion de ani. Cu toate acestea, fluturii plini de culoare și otrăvitori rămân două specii separate, care refuză să se împerecheze și să-și îmbine trăsăturile genetice.
Este o demonstrație perfectă a unui concept biologic numit izolare reproductivă, care a făcut ca fluturii Heliconius să fie subiecți primari pentru studii evolutive de mai bine de 100 de ani. Oamenii de știință estimează că izolarea reproductivă este menținută, în unele cazuri, prin împerecherea asortativă puternică, ceea ce înseamnă că un organism se va reproduce doar cu un partener care arată ca ei. Prin urmare, bariera care le împarte nu este de mediu, ci mai degrabă genetică.
Merrill, care acum are sediul la Universitatea Ludwig Maximilian din Munchen, și colegii au folosit o metodă care arată care zone ale genomului au cel mai mare efect asupra comportamentului de împerechere, dar nu au identificat genele exacte. Chiar și așa, analiza lor a fost suficient de clară pentru a arăta că una dintre cele trei regiuni care influențează preferința de împerechere este aproape de o genă numită optix, despre care se știe că controlează modelele vibrante de aripa roșie din H. melpomene . ( Optix are o influență atât de puternică asupra culorii, încât activarea și dezactivarea acesteia folosind instrumentul de editare a genelor CRISPR poate face ca aripile unui fluture să fie complet incolore.) De fapt, această regiune genetică are doar 1, 2 centiMorgani - care sunt unități utilizate pentru a măsura distanța. între genele de pe un cromozom - departe de gena optix .
Faptul că șirurile genetice care controlează preferința mate sunt atât de apropiate de optix, gena care creează tiparele aripilor, precum și alte câteva indicii vizuale, are implicații interesante pentru cercetătorii care studiază evoluția comportamentelor precum preferința de împerechere.
Un fluture Heliconius melpomene rosina se sprijină pe o floare. (Richard Merrill) „[Acest studiu] oferă o mulțime de cunoștințe cu privire la modul în care preferințele și indicele preferințelor sunt legate fizic”, spune biologul evoluționist Susan Finkbeiner de la Universitatea din Chicago, care nu a fost implicat în studiu. Cercetarea susține ideea „faptul că modelul de culoare de predare și preferința pentru acea culoare specială de vânzare sunt asociate între ele.”
Dacă comportamentul de împerechere și trăsătura preferată sunt într-adevăr încurcate fizic pe un singur cromozom, atunci ambele vor fi transmise la următoarea generație cu ușurință, menținând o barieră genetică de tip între cele două specii. „Putem avea evoluție de noi specii fără a evoca bariere fizice, precum mările sau munții”, spune Merrill.
Un al doilea studiu a arătat că, deși supraviețuirea hibridă este rară, în ultimii milioane de ani s-a întâmplat suficient ca acești doi fluturi să împărtășească de zece ori mai mult material genetic decât oamenii și neanderthalii. Se pare că chiar și câteva evenimente de întrepătrundere pot avea un efect puternic asupra geneticii.
Cercetarea, condusă de biologul evolutiv Simon Martin de la Universitatea din Cambridge, a utilizat secvențializarea genomului întreg a nouă populații de Heliconius pentru a identifica zonele ADN-ului fluturilor în care hibridizarea și selecția naturală au influențat genetica organismelor de-a lungul timpului. Faptul că speciile rămân atât de distincte din punct de vedere vizual, în ciuda genomurilor extrem de asemănătoare, reafirmă cât de puternice sunt forțele evolutive în conturarea arborelui vieții.
„Nu există o singură cale evolutivă”, spune Martin. „Este o rețea sau un web. Dar studiul meu arată că este previzibil. Există un model frumos previzibil în această rețea complexă a vieții. ”
În cele din urmă, rezultatele lui Martin, publicate, de asemenea, în PLOS Biology, întăresc descoperirile lui Merrill, arătând că cele două specii rămân separate din cauza barierelor genetice puternice din ADN-ul lor care au apărut prin selecția naturală - bariere precum conexiunea dintre optix și preferința reproductivă. Această legătură între culoarea aripii și preferința mate nu se poate pierde nici în fluturii hibrizi, deoarece cele două trăsături genetice sunt atât de strâns legate - posibil chiar conduse de aceleași gene. Astfel de bariere genetice fac ca speciile să fie previzibile, în ciuda dovezilor evenimentelor istorice de hibridizare.
„Există predictibilitate din cauza selecției naturale”, spune Martin. „Nu se rezumă numai la crearea de specii, ci și la determinarea genelor transmise și care nu [ridică] rolul selecției naturale în evoluție”.
Ca pas următor, Merrill speră să găsească genele precise care stau la baza acestui comportament de preferință de culoare aripii. El se gândește la utilizarea eventualelor camere de învățare automată și video pentru a permite echipei să colecteze mai multe date data viitoare.
„Încercăm să dezvoltăm metode pentru automatizarea acestui proces”, spune Merrill. Odată ce echipa are gene specifice de vizat, pot folosi CRISPR pentru a face studii de eliminare și pentru a observa cum se comportă fluturii fără genele care sunt gândite să le controleze comportamentul.
Fără genele care controlează preferința de culoare aripioasă a fluturilor Heliconius, cele două specii separate ar putea fi mai înclinate să se împerecheze între ele. Pentru a afla cu siguranță, totuși, Merrill ar putea fi nevoit să se întoarcă în cușca fluturilor de la Institutul de Cercetări Tropicale Smithsonian și să stea și să aștepte să vadă dacă poate acționa vreo acțiune între insecte. Deși, nu s-ar deranja.
„Nu există nicăieri altundeva în lume că ai fi putut face acest studiu”, spune el.
