Περίπου μια δεκαετία πριν, ο εξελικτικός βιολόγος Richard Merrill θα περάσει αρκετές ώρες την ημέρα σε "ζεστό, ατμιστό Παναμά", που κάθεται σε ένα κλουβί γεμάτο με πεταλούδες Heliconius, περιμένοντας τους να κάνουν σεξ.
"Ακούγεται λαμπερό, έτσι;" γελάει.
Ο Merrill παρακολουθούσε αν οι αρσενικές υβριδικές πεταλούδες Heliconius θα φλερτάρουν - με τη μορφή αιωρήματος ή κυνηγιού - είτε με πεταλούδες κόκκινου Heliconius melpomene rosina ή με πεταλούδες Heliconius cydno chioneus . Έχει τεκμηριώσει αυτή τη φλυαρία πεταλούδας για να μελετήσει την προτίμηση των υβριδικών φίλων, την οποία αυτός και η ομάδα του θα εξεταστούν αργότερα σε γενετικό επίπεδο.
Στη φύση, οι υβριδικές πεταλούδες Heliconius είναι σπάνιες. Τα Heliconius melpomene και Heliconius cydno είναι εξαιρετικά δηλητηριώδη, έχουν εξελιχθεί για να παράγουν το δικό τους κυάνιο και οι αρπακτικοί έχουν μάθει ακριβώς τι μοιάζουν με τα δύο αυτά τοξικά έντομα. Αν όμως τα δύο είδη διασταυρωθούν, το μοτίβο των πτερυγίων τους γίνεται αποπροσανατολιστικός συνδυασμός και των δύο χρωμάτων, καθιστώντας τις υβριδικές πεταλούδες έναν ξεχωριστό στόχο για την καταστροφή. Ως αποτέλεσμα, οι ζωές των υβριδίων συχνά τελειώνουν πριν μπορέσουν να αναπαραχθούν.
Σε μια δημοσίευση που δημοσιεύθηκε χθες στο περιοδικό PLOS Biology, η Merrill και οι συνεργάτες του επιβεβαίωσαν για πρώτη φορά ότι η προτιμησιακή συμπεριφορά ζευγαρώματος σε αυτές τις πεταλούδες είναι πράγματι γραμμένη στο DNA τους. Συγκεκριμένα, η ομάδα του βρήκε μόνο τρία μέρη του γονιδιώματος που ελέγχουν τουλάχιστον το 60 τοις εκατό της συμπεριφοράς επιλογής mate.
"Εικονογραφεί ότι μια σύνθετη συμπεριφορά, όπως η προτίμηση των μαιών, μπορεί να συσχετιστεί με τρεις μόνο περιοχές του γονιδιώματος", λέει η Erica Westerman, εξελικτική βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Αρκάνσας, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Αυτό είναι κάτι που πιστεύεται ότι συνδέεται με πολλές περιοχές του γονιδιώματος. Θα μας επιτρέψει να ακολουθήσουμε μια στοχευμένη προσέγγιση για να δούμε πώς αυτά τα γονίδια επηρεάζουν τη συμπεριφορά αυτών των πεταλούδων ».
Εδώ τα δύο είδη - Heliconius cydno, αριστερά, και Heliconius melpomene, δεξιά-δικαστήριο σε ένα έντομο. Είναι πολύ ασυνήθιστο στη φύση, αλλά οι επιστήμονες μπορούν να τις ωθήσουν να το κάνουν στην αιχμαλωσία. (Luca Livraghi) Ακριβώς πώς αυτές οι δύο πεταλούδες Heliconius παραμένουν ξεχωριστά είδη είναι ακόμα κάτι μυστήριο. Η εξειδίκευση ή η διαδικασία δημιουργίας ενός νέου είδους εξηγείται εύκολα όταν υπάρχουν γεωγραφικά όρια, όπως τα βουνά, για να χωρίσουμε φυσικά ένα είδος σε δύο. Αυτό που παζλίζει τους επιστήμονες είναι ότι ο H. melpomene και ο H. cydno ζούσαν δίπλα στο άλλο στα ίδια οικοσυστήματα, ανταγωνίζονται για τους ίδιους πόρους, για περισσότερο από ένα εκατομμύριο χρόνια. Ωστόσο, οι πολύχρωμες, δηλητηριώδεις πεταλούδες παραμένουν δύο χωριστά είδη, αρνούμενοι να συνδυάσουν και να συγχωνεύσουν τα γενετικά τους χαρακτηριστικά.
Είναι μια τέλεια επίδειξη μιας βιολογικής αντίληψης που ονομάζεται αναπαραγωγική απομόνωση, η οποία έχει κάνει τις πεταλούδες Heliconius πρωταρχικά θέματα για εξελικτικές μελέτες για περισσότερα από 100 χρόνια. Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι η αναπαραγωγική απομόνωση διατηρείται, σε ορισμένες περιπτώσεις, μέσω ισχυρού συνειρμικού ζευγαρώματος, πράγμα που σημαίνει ότι ένας οργανισμός θα αναπαράγεται μόνο με έναν σύντροφο που μοιάζει με αυτούς. Επομένως, το εμπόδιο που τους χωρίζει δεν είναι περιβαλλοντικό, αλλά γενικότερο.
Ο Merrill, που τώρα έχει την έδρα του στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου, και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που δείχνει ποιες περιοχές του γονιδιώματος έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση στη συμπεριφορά ζευγαρώματος, αλλά δεν έδειξαν τα ακριβή γονίδια. Ωστόσο, η ανάλυσή τους ήταν αρκετά σαφής ώστε να δείξει ότι μία από τις τρεις περιοχές που επηρεάζουν την προτίμηση ζευγαρώματος είναι κοντά σε ένα γονίδιο που ονομάζεται optix, το οποίο είναι γνωστό ότι ελέγχει τα ζωντανά μοτίβα των κόκκινων πτερυγίων στο H. melpomene . (Το Optix έχει μια τόσο ισχυρή επίδραση στο χρώμα που το ενεργοποιεί και απενεργοποιεί χρησιμοποιώντας το εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων Το CRISPR μπορεί να κάνει τα φτερά μιας πεταλούδας εντελώς άχρωμο.) Στην πραγματικότητα, αυτή η γενετική περιοχή είναι μόνο 1, 2 centiMorgans - οι μονάδες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της απόστασης μεταξύ των γονιδίων σε ένα χρωμόσωμα μακριά από το γονίδιο optix .
Το γεγονός ότι οι γενετικές χορδές που ελέγχουν την προτίμησή τους είναι τόσο κοντά στο optix, το γονίδιο που δημιουργεί τα μοτίβα των πτερυγίων καθώς και κάποιες άλλες οπτικές ενδείξεις, έχει συναρπαστικές συνέπειες για τους ερευνητές που μελετούν την εξέλιξη των συμπεριφορών όπως η προτίμηση ζευγαρώματος.
Μια πεταλούδα Heliconius melpomene rosina στηρίζεται σε ένα λουλούδι. (Richard Merrill) "[Η μελέτη αυτή] παρέχει πολλές πληροφορίες για το πώς οι προτιμήσεις και οι προτιμήσεις είναι φυσικά συνδεδεμένες", λέει η εξελικτική βιολόγος Susan Finkbeiner του Πανεπιστημίου του Σικάγο, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Η έρευνα υποστηρίζει την ιδέα ότι «το προφίλ χρώματος και η προτίμηση για το συγκεκριμένο χρώμα προμηνύσεως συνδέονται μεταξύ τους».
Εάν η συμπεριφορά ζευγαρώματος και το προτιμώμενο χαρακτηριστικό είναι πράγματι σωματικά εμπλεγμένα σε ένα μόνο χρωμόσωμα, τότε θα μεταφερθούν και οι δύο στην επόμενη γενιά με ευκολία, διατηρώντας ένα γενετικό εμπόδιο μεταξύ των δύο ειδών. "Μπορούμε να έχουμε εξέλιξη νέων ειδών χωρίς να προκαλούμε φυσικά εμπόδια, όπως θάλασσες ή βουνά", λέει ο Merrill.
Μια δεύτερη μελέτη έδειξε ότι παρόλο που η υβριδική επιβίωση είναι σπάνια, έχει συμβεί αρκετό το τελευταίο εκατομμύριο χρόνια που αυτές οι δύο πεταλούδες μοιράζονται δέκα φορές περισσότερο γενετικό υλικό από ότι οι άνθρωποι και οι Νεάντερταλ. Ακόμα και μερικά γεγονότα διασταυρώσεων, φαίνεται ότι μπορούν να έχουν ισχυρή επίδραση στη γενετική.
Η έρευνα, με επικεφαλής τον εξελικτικό βιολόγο Simon Martin του Πανεπιστημίου του Cambridge, χρησιμοποίησε ολόκληρη τη γονιδιωματική αλληλουχία εννέα πληθυσμών του Heliconius για να εντοπίσει περιοχές του DNA των πεταλούδων όπου η υβριδίωση και η φυσική επιλογή έχουν επηρεάσει την γενετική των οργανισμών με την πάροδο του χρόνου. Το γεγονός ότι τα είδη παραμένουν τόσο οπτικά διακριτά παρά τα πολύ παρόμοια γονιδιώματα επαναβεβαιώνει πόσο ισχυρές εξελικτικές δυνάμεις είναι στη διαμόρφωση του δέντρου της ζωής.
"Δεν υπάρχει μόνο ένα εξελικτικό μονοπάτι", λέει ο Martin. "Είναι ένα δίκτυο ή ένας ιστός. Αλλά η μελέτη μου δείχνει ότι είναι προβλέψιμη. Υπάρχει ένα όμορφο προβλέψιμο μοτίβο σε αυτόν τον περίπλοκο ιστό της ζωής. "
Τελικά, τα αποτελέσματα του Martin, τα οποία δημοσιεύονται επίσης στο PLOS Biology, ενισχύουν τα ευρήματα του Merrill, δείχνοντας ότι τα δύο είδη παραμένουν χωρισμένα λόγω των ισχυρών γενετικών φραγμών στο DNA τους, τα οποία προέκυψαν από φυσικούς φραγμούς επιλογής όπως η σχέση μεταξύ optix και αναπαραγωγικής προτίμησης. Αυτός ο δεσμός μεταξύ του χρώματος του πτερυγίου και της προτίμησης του ζευγαριού δεν μπορεί να χαθεί ακόμη και σε υβριδικές πεταλούδες, διότι τα δύο γενετικά χαρακτηριστικά συνδέονται τόσο στενά - πιθανώς οδηγούνται από τα ίδια γονίδια. Τέτοια γενετικά εμπόδια καθιστούν τη συσχέτιση προβλέψιμη παρά τα στοιχεία ιστορικών συμβάντων υβριδισμού.
«Υπάρχει προβλεψιμότητα λόγω της φυσικής επιλογής», λέει ο Martin. «Δεν είναι μόνο η δημιουργία ειδών αλλά και ο προσδιορισμός των γονιδίων που μεταδίδονται και τα οποία δεν [αναδεικνύουν] τον ρόλο της φυσικής επιλογής στην εξέλιξη».
Ως επόμενο βήμα, η Merrill ελπίζει να βρει τα ακριβή γονίδια που αποτελούν τη βάση αυτής της συμπεριφοράς πτέρυγα-χρώματος-προτίμησης. Συζητά πιθανότατα χρησιμοποιώντας μηχανές μάθησης και βιντεοκάμερες για να επιτρέψει στην ομάδα να συλλέξει περισσότερα δεδομένα την επόμενη φορά.
"Προσπαθούμε να αναπτύξουμε μεθόδους για την αυτοματοποίηση αυτής της διαδικασίας", λέει ο Merrill. Μόλις η ομάδα έχει συγκεκριμένα γονίδια για να στοχεύσει, μπορούν να χρησιμοποιήσουν το CRISPR για να κάνουν μελέτες knockout και να παρατηρήσουν πώς οι πεταλούδες συμπεριφέρονται χωρίς τα γονίδια που πιστεύεται ότι ελέγχουν τη συμπεριφορά τους.
Χωρίς τα γονίδια που ελέγχουν το προτιμησιακό χρώμα των πτερυγίων των Heliconius πεταλούδων, τα δύο ξεχωριστά είδη μπορεί να είναι πιο διατεθειμένα να αλληλοσυμπληρώνονται. Ωστόσο, για να βεβαιωθείτε ότι ο Merrill μπορεί να χρειαστεί να επιστρέψει στο κλουβί πεταλούδας στο Smithsonian Tropical Research Institute και να καθίσει και να περιμένει να δούμε αν μπορεί να προλάβει οποιαδήποτε εντόμων δράση μεταξύ των ειδών. Αν και, δεν θα πειράξει.
«Δεν υπάρχει πουθενά αλλού στον κόσμο που θα μπορούσατε να κάνετε αυτή τη μελέτη», λέει.
