For cirka et årti siden tilbragte evolutionærbiologen Richard Merrill flere timer om dagen i "varmt, dampende Panama", siddende i et bur fyldt med Heliconius- sommerfugle og ventet på, at de skulle have sex.
”Det lyder glamourøst, ikke?” Ler han.
Merrill holdt styr på, om mandlige hybride Heliconius- sommerfugle ville flørte - i form af svæve eller jagte - med enten rødvingede Heliconius melpomene rosina- sommerfugle eller hvidvingede Heliconius cydno chioneus- sommerfugle. Han dokumenterede dette sommerfuglerskab for at studere hybridernes mate-præference, som han og hans team senere ville undersøge på et genetisk niveau.
I naturen er hybride Heliconius- sommerfugle sjældne. Heliconius melpomene og Heliconius cydno er begge meget giftige og har udviklet sig til at producere deres eget cyanid, og rovdyr har lært nøjagtigt, hvordan begge disse giftige insekter ser ud. Hvis de to arter opdrættes, bliver deres vingemønster imidlertid en desorienterende sammensmeltning af begge farvemønstre, hvilket gør hybrid sommerfugle til et fremtrædende mål for predation. Som et resultat slutter hybridenes liv ofte, før de kan opdrætte.
I et papir, der blev offentliggjort i går i tidsskriftet PLOS Biology, har Merrill og hans kolleger for første gang bekræftet, at den præferentielle parringsadfærd i disse sommerfugle faktisk er skrevet i deres DNA. Specifikt fandt hans team kun tre dele af genomet, der kontrollerer mindst 60 procent af parternes valgadfærd.
”Det illustrerer, at en kompleks opførsel som mate-præference kan forbindes med kun tre regioner i genomet, ” siger Erica Westerman, en evolutionær biolog ved University of Arkansas, som ikke var involveret i undersøgelsen. ”Dette er noget, der menes at være forbundet med mange områder af genomet. Det vil give os mulighed for at tage en målrettet tilgang til at se, hvordan disse gener påvirker opførsel af disse sommerfugle. ”
Her er de to arter - Heliconius cydno, venstre og Heliconius melpomene, højre - domstol i en insekt. Det er meget usædvanligt i naturen, men forskere kan få dem til at gøre det i fangenskab. (Luca Livraghi) Præcis hvordan disse to Heliconius- sommerfugle forbliver separate arter, er stadig noget af et mysterium. Speciation eller processen med at skabe en ny art forklares let, når der er geografiske grænser, ligesom bjerge, for fysisk at opdele en enkelt art i to. Det, der pusler videnskabsfolk, er, at H. melpomene og H. cydno har boet ved siden af hinanden i de samme økosystemer og konkurreret om de samme ressourcer i mere end en million år. Alligevel forbliver de farverige, giftige sommerfugle to separate arter, der nægter at parre sig og flette deres genetiske træk.
Det er en perfekt demonstration af et biologisk koncept kaldet reproduktiv isolering, som har gjort Heliconius sommerfugle til primære emner for evolutionsundersøgelser i mere end 100 år. Forskere antager, at reproduktiv isolering opretholdes, i nogle tilfælde gennem kraftig assortativ parring, hvilket betyder, at en organisme kun vil gengive sig med en makker, der ligner dem. Derfor er barrieren, der deler dem ikke miljømæssigt, men snarere genetisk.
Merrill, der nu er baseret på Ludwig Maximilian Universitet i München, og kolleger brugte en metode, der viser, hvilke områder af genomet har den største effekt på parringsadfærd, men de præciserede ikke de nøjagtige gener. Alligevel var deres analyse klar nok til at vise, at en af de tre regioner, der har indflydelse på parringspræference, er i nærheden af et gen kaldet optix, som er kendt for at kontrollere de pulserende røde vinge-mønstre i H. melpomene . ( Optix har en så stærk indflydelse på farve, at det at tænde og slukke det ved hjælp af genredigeringsværktøjet CRISPR kan gøre en sommerfugls vinger totalt farveløs.) Faktisk er denne genetiske region kun 1, 2 centorgorgere - som er enheder, der bruges til at måle afstanden mellem gener på et kromosom - væk fra optix- genet.
Det faktum, at de genetiske strenge, der styrer præference for makker, er så tæt på optiks, genet, der skaber vingemønstre såvel som nogle andre visuelle signaler, har spændende implikationer for forskere, der studerer udviklingen af adfærd som parringspræference.
En Heliconius melpomene rosina sommerfugl hviler på en blomst. (Richard Merrill) ”[Denne undersøgelse] giver en masse indsigt i, hvordan præference og præferencesignal hænger fysisk sammen, ” siger evolutionærbiolog Susan Finkbeiner fra University of Chicago, som ikke var involveret i undersøgelsen. Forskningen understøtter ideen "at forewing farve mønster og præference for den særlige forewing farve er forbundet med hinanden."
Hvis parringsadfærden og det foretrukne træk faktisk er fysisk sammenfiltret på et enkelt kromosom, ville de begge let blive sendt videre til den næste generation, idet de opretholder en genetisk barriere af slags mellem de to arter. ”Vi kan udvikle nye arter uden at fremkalde fysiske barrierer, som sø eller bjerge, ” siger Merrill.
En anden undersøgelse viste, at selvom hybridoverlevelse er sjælden, er det sket nok i løbet af de sidste millioner år, at disse to sommerfugle deler ti gange mere genetisk materiale end mennesker og neandertalere. Selv nogle få avlsbegivenheder, ser det ud til, kan have en stærk effekt på genetik.
Forskningen, ledet af evolutionærbiologen Simon Martin fra University of Cambridge, brugte helgenomsekventering af ni populationer af Heliconius til at fastlægge områder af sommerfuglenes DNA, hvor hybridisering og naturlig selektion har påvirket organismenes genetik over tid. Det faktum, at arten forbliver så visuelt adskilt til trods for meget lignende genomer bekræfter, hvor stærke evolutionære kræfter er i at forme livets træ.
”Der er ikke kun en evolutionær vej, ” siger Martin. ”Det er et netværk eller et web. Men min undersøgelse viser, at det er forudsigeligt. Der er et smukt forudsigeligt mønster i dette komplekse liv. ”
I sidste ende styrker Martins resultater, også offentliggjort i PLOS Biology, Merrills fund også, hvilket viser, at de to arter forbliver adskilte på grund af de stærke genetiske barrierer i deres DNA, der opstod gennem naturlig selektion - barrierer som forbindelsen mellem optiks og reproduktiv præference. Denne binding mellem vinge farve og mate præference kan ikke gå tabt selv i hybrid sommerfugle, fordi de to genetiske træk er så tæt forbundet - muligvis endda drevet af de samme gener. Sådanne genetiske barrierer gør specifikation forudsigelig trods bevis for historiske hybridiseringsbegivenheder.
”Der er forudsigelighed på grund af naturlig udvælgelse, ” siger Martin. ”Det er ikke kun i skabelsen af arter, men også ved at bestemme, hvilke gener der videregives, og hvilke der ikke [der] løfter den naturlige selektions rolle i evolutionen.”
Som næste trin håber Merrill at finde de nøjagtige gener, der ligger til grund for denne vinge-farve-præferences opførsel. Han overvælter muligvis ved hjælp af maskinlæring og videokameraer for at gøre det muligt for teamet at indsamle flere data næste gang.
”Vi forsøger at udvikle metoder til at automatisere denne proces, ” siger Merrill. Når teamet har specifikke gener at målrette mod, kan de bruge CRISPR til at lave knockout-undersøgelser og observere, hvordan sommerfugle opfører sig uden de gener, der menes at kontrollere deres opførsel.
Uden generne, der kontrollerer Heliconius sommerfuglers valgte valg af vingefarve, kan de to separate arter være mere tilbøjelige til at pare hinanden. For at finde ud af det med sikkerhed, er Merrill muligvis nødt til at gå tilbage til sommerfuglburet på Smithsonian Tropical Research Institute og sidde og vente med at se, om han kan fange en hvilken som helst insekt handling mellem forskellige arter. Skønt han ikke havde noget imod det.
”Der er ingen andre steder i verden, som du kunne have gjort denne undersøgelse, ” siger han.
