Преди около десетилетие еволюционният биолог Ричард Мерил би прекарвал по няколко часа на ден в „гореща, изпарена Панама“, седейки в клетка, пълна с пеперуди от Хеликоний, в очакване те да правят секс.
"Звучи бляскаво, нали?", Смее се той.
Мерил следеше дали мъжките хибридни пеперуди от Heliconius ще флиртуват - под формата на увисване или преследване - или с червенокрили пеперуди Heliconius melfomene rosina, или с белокрили пеперуди Heliconius cydno chioneus . Той документира това ухажване на пеперуди, за да проучи предпочитанията на половинките на хибридите, които по-късно той и неговият екип ще разгледат на генетично ниво.
В природата хибридните пеперуди Heliconius са рядкост. Heliconius melpomene и Heliconius cydno са силно отровни, еволюирали да произвеждат собствен цианид и хищниците са научили как точно изглеждат и двете от тези токсични насекоми. Ако обаче двата вида се кръстосват, моделът на крилата им се превръща в дезориентиращо разбъркване на двата цветни модела, което прави хибридните пеперуди открояваща се цел за хищничество. В резултат на това животът на хибридите често приключва, преди да могат да се размножават.
В статия, публикувана вчера в списанието PLOS Biology, Мерил и неговите колеги за първи път потвърдиха, че преференциалното поведение на чифтосване при тези пеперуди наистина е записано в тяхната ДНК. По-конкретно, неговият екип намери само три части от генома, които контролират поне 60 процента от поведението на избора на половинка.
„Това илюстрира, че сложно поведение като предпочитание на половинката може да бъде свързано само с три региона на генома“, казва Ерика Уестерман, еволюционен биолог от Университета в Арканзас, който не е участвал в изследването. „Това е нещо, за което се смята, че е свързано с много области от генома. Това ще ни позволи да използваме целенасочен подход, за да видим как тези гени влияят на поведението на тези пеперуди. "
Тук двата вида - Heliconius cydno, отляво и Heliconius melpomene, отдясно - съд в инсектант. В природата е много рядко, но учените могат да ги накарат да го правят в плен. (Лука Ливраги) Точно как тези две пеперуди от Heliconius остават отделни видове, все още е нещо загадка. Определянето или процесът на създаване на нов вид се обяснява лесно, когато има географски граници, като планини, за физическото разделяне на един вид на две. Това, което озадачава учените е, че H. melpomene и H. cydno са живели един до друг в една и съща екосистема, състезавайки се за едни и същи ресурси, повече от един милион години. И все пак цветните, отровни пеперуди остават два отделни вида, отказвайки се да се чифтосват и сливат генетичните си черти.
Това е перфектна демонстрация на биологична концепция, наречена репродуктивна изолация, която превръща пеперудите от Хеликоний в основни теми за еволюционни изследвания в продължение на повече от 100 години. Учените хипотезират, че репродуктивната изолация се поддържа в някои случаи чрез мощно асортитивно чифтосване, което означава, че организмът ще се възпроизвежда само с половинка, която прилича на тях. Следователно бариерата, която ги разделя, не е екологична, а по-скоро генетична.
Мерил, която сега е базирана в Мюнхенския университет „Лудвиг Максимилиан“, и колегите му използваха метод, който показва кои области от генома имат най-голям ефект върху поведението на чифтосването, но не определиха точните гени. Въпреки това, техният анализ беше достатъчно ясен, за да покаже, че един от трите региона, които влияят на предпочитанията за чифтосване, е близо до ген, наречен optix, който е известен с това, че контролира жизнените модели на червено крило в H. melpomene . ( Optix има толкова силно влияние върху цвета, че включването и изключването му с помощта на инструмента за редактиране на гени CRISPR може да направи крилата на пеперуда напълно безцветни.) Всъщност този генетичен регион е само 1, 2 centiMorgans - които са единици, използвани за измерване на разстоянието между гени на хромозома - далеч от гена на optix .
Фактът, че генетичните низове, контролиращи предпочитанието на половинката, са толкова близки до optix, генът, който създава крило модели, както и някои други визуални сигнали, има вълнуващо значение за изследователите, изучаващи еволюцията на поведение като предпочитание за чифтосване.
Пеперуда от Heliconius melfomene rosina почива на цвете. (Ричард Мерил) „[Това проучване] дава много представа за това как предпочитанията и предпочитанията ще бъдат свързани физически“, казва еволюционният биолог Сюзън Финкбейнер от Чикагския университет, която не е участвала в проучването. Изследването подкрепя идеята „че цветът на предния формат и предпочитанията към този конкретен цвят на предния формат са свързани помежду си.“
Ако поведението на чифтосване и предпочитаната черта наистина са физически заплетени в една хромозома, те и двамата биха се предали на следващото поколение с лекота, поддържайки своеобразна генетична бариера между двата вида. „Можем да имаме еволюция на нови видове, без да предизвикваме физически бариери, като морета или планини, “ казва Мерил.
Второ проучване показа, че въпреки че хибридната преживяемост е рядка, през последните милиони години се случи достатъчно, че тези две пеперуди споделят десет пъти повече генетичен материал от хората и неандерталците. Дори няколко събития за кръстосване, изглежда, могат да окажат силно влияние върху генетиката.
Изследването, ръководено от еволюционния биолог Саймън Мартин от Университета в Кеймбридж, използва цели геномни секвенции от девет популации на Хеликоний, за да определи области от ДНК на пеперудите, където хибридизацията и естественият подбор са повлияли на генетиката на организмите във времето. Фактът, че видът остава толкова визуално различен, въпреки силно сходни геноми, потвърждава колко мощни еволюционни сили оформят дървото на живота.
„Няма само един еволюционен път“, казва Мартин. „Това е мрежа или мрежа. Но моето проучване показва, че е предсказуемо. Има красив предсказуем модел в тази сложна мрежа от живота. "
В крайна сметка резултатите на Мартин, публикувани също в PLOS Biology, също засилват откритията на Мерил, показвайки, че двата вида остават разделени поради силните генетични бариери в тяхната ДНК, възникнали чрез естествен подбор - бариери като връзката между оптиката и репродуктивните предпочитания. Тази връзка между цвета на крилото и предпочитанията на половинката не може да бъде загубена дори при хибридни пеперуди, защото двете генетични черти са толкова тясно свързани - вероятно дори задвижвани от едни и същи гени. Такива генетични бариери правят спецификацията предвидима, въпреки доказателствата за исторически събития на хибридизация.
„Има предвидимост поради естествения подбор“, казва Мартин. „Това е не само в създаването на видове, но и в определянето на кои гени се предават и кои не [това] повишава ролята на естествения подбор в еволюцията.“
Като следваща стъпка, Мерил се надява да намери точните гени, които стоят в основата на това поведение за предпочитане на цвят на крилото. Той обмисля евентуално използване на машинно обучение и видеокамери, за да даде възможност на екипа да събира повече данни следващия път.
„Опитваме се да разработим методи за автоматизиране на този процес“, казва Мерил. След като екипът има конкретни гени за насочване, те могат да използват CRISPR, за да направят проучвания за нокаут и да наблюдават как се държат пеперудите без гените, за които се смята, че контролират поведението им.
Без гените, които контролират изисканите предпочитания на цвета на крилете на Heliconius, двата отделни вида могат да бъдат по-склонни да се чифтосват един с друг. За да разберете със сигурност, обаче, Мерил може да се наложи да се върне обратно в клетката на пеперудите в Смитсънския тропически изследователски институт и да седне и да изчака дали ще успее да улови някакво междувидово действие срещу насекоми. Въпреки че, той няма да има нищо против.
„Никъде другаде по света не бихте могли да направите това проучване“, казва той.
