Prije otprilike desetljeća, evolucijski biolog Richard Merrill proveo bi nekoliko sati dnevno u "vrućoj, parnoj Panami", sjedeći u kavezu ispunjenom leptirićima Heliconius-a, čekajući da imaju seks.
"Zvuči glamurozno, zar ne?", Smije se.
Merrill je pratila hoće li muški hibridni leptiri Heliconius koketirati - u obliku lebdenja ili jurnjave - s leptirima crvenog krila Heliconius melpomene rosina ili bijelim leptirima Heliconius cydno chioneus . To je dokumentirao udvaranje leptira kako bi proučavao sklonosti hibrida, što će on i njegov tim kasnije detaljno proučiti na genetskoj razini.
U prirodi su hibridni leptiri Heliconius rijetki. Heliconius melpomene i Heliconius cydno oboje su vrlo otrovni, razvili su se kako bi proizveli svoj vlastiti cijanid, a grabežljivci su točno naučili kako izgledaju oba toksična insekta. Međutim, ako se dvije vrste križaju, njihov oblik krila postaje dezorijentrirajuće obojavanje obojica uzoraka boje, pa hibridni leptiri postaju meta koja se ističe zbog predatora. Kao rezultat toga, život hibrida često završava prije nego što se mogu razmnožavati.
U članku objavljenom juče u časopisu PLOS Biology, Merrill i njegovi kolege prvi su put potvrdili da je preferencijalno ponašanje parenja kod ovih leptira doista zapisano u njihovoj DNK. Naime, njegov je tim pronašao samo tri dijela genoma koji kontroliraju barem 60 posto ponašanja partnera.
"To ilustrira da se složeno ponašanje poput sklonosti mata može povezati sa samo tri regije genoma", kaže Erica Westerman, evolucijski biolog sa Sveučilišta u Arkansasu, koja nije bila uključena u studiju. "Ovo je nešto što se misli da je povezano s puno područja genoma. Omogućit će nam ciljani pristup da vidimo kako ti geni utječu na ponašanje ovih leptira. "
Ovdje su dvije vrste - Heliconius cydno, lijeva i Heliconius melpomene, desno - sud u netaknutom domu. U divljini je vrlo neuobičajeno, ali znanstvenici ih mogu natjerati da to rade u zatočeništvu. (Luca Livraghi) Koliko je ta dva leptira Heliconius odvojena vrsta još uvijek je tajna. Specifikacija ili postupak stvaranja nove vrste lako se objašnjava kada postoje geografske granice, poput planina, za fizičku podjelu jedne vrste na dvije. Znanstvenice zagonetke jesu da su H. melpomene i H. cydno živjeli jedan za drugim u istim ekosustavima, nadmećući se za iste resurse, više od milijun godina. Ipak, šareni, otrovni leptiri ostaju dvije odvojene vrste, odbijajući se pariti i spajati svoje genetske osobine.
To je savršeni dokaz biološkog koncepta koji se naziva reproduktivna izolacija, zbog čega su leptiri Heliconius glavni subjekti za evolucijska ispitivanja više od 100 godina. Znanstvenici pretpostavljaju da se reproduktivna izolacija održava, u nekim slučajevima, kroz moćno asortativno parenje, što znači da će se organizam razmnožavati samo s parom koji izgleda poput njih. Stoga prepreka koja ih dijeli nije okolišna, već više genetska.
Merrill, koja se sada nalazi na Sveučilištu Ludwig Maximilian iz Münchena, i kolege koristili su metodu koja pokazuje koja područja genoma imaju najveći utjecaj na ponašanje parenja, ali nisu precizirali točne gene. Unatoč tome, njihova je analiza bila dovoljno jasna da pokaže da je jedno od tri područja koja utječu na sklonost parenju blizu gena zvanog optix, za koji se zna da kontrolira živopisne uzorke crvenog krila u H. melpomene . ( Optix ima tako snažan utjecaj na boju da ga uključivanjem i isključivanjem pomoću alata za uređivanje gena CRISPR mogu krila leptira učiniti potpuno bezbojnim.) Zapravo, ova genetska regija ima samo 1, 2 centiMorgane - što su jedinice koje se koriste za mjerenje udaljenosti između gena na kromosomu - daleko od gena optix .
Činjenica da su genetski nizovi koji upravljaju preferencijama srodnika toliko bliski optixu, gen koji stvara obrasce krila, kao i neke druge vizualne znakove, ima uzbudljive implikacije za istraživače koji proučavaju evoluciju ponašanja poput sklonosti parenju.
Leptir Heliconius melpomene rosina počiva na cvijetu. (Richard Merrill) „[Ova studija] pruža puno uvida u to kako se sklonost i preferencijalni znak fizički povezuju“, kaže evolucijska biologinja Susan Finkbeiner sa Sveučilišta u Chicagu, koja nije bila uključena u studiju. Istraživanje podržava ideju „da se uzorak boje prednje fore i preferencije za tu određenu boju prednje plohe povezuju jedna s drugom.“
Ako su ponašanje parenja i poželjna osobina doista fizički zapleteni u jednom kromosomu, oboje bi ih s lakoćom prenijeli na sljedeću generaciju, održavajući svojevrsnu genetsku barijeru između dviju vrsta. "Mi možemo imati evoluciju novih vrsta bez napretka u fizičkim barijerama, poput mora ili planina", kaže Merrill.
Drugo istraživanje pokazalo je da iako je hibridni opstanak rijedak, dovoljno se dogodilo tijekom posljednjih milijun godina da ova dva leptira dijele deset puta više genetskog materijala nego ljudi i neandertalci. Čak i nekoliko događaja križanja može imati snažan učinak na genetiku.
Istraživanje, koje je vodio evolucijski biolog Simon Martin sa Sveučilišta u Cambridgeu, upotrijebilo je sekvenciranje cijelog genoma devet populacija Heliconius-a za utvrđivanje područja DNA leptira gdje su hibridizacija i prirodna selekcija s vremenom utjecali na genetiku organizama. Činjenica da su vrste ostale tako vizualno različite usprkos vrlo sličnim genima, potvrđuje koliko su snažne evolucijske sile u oblikovanju stabla života.
"Ne postoji samo jedan evolucijski put", kaže Martin. "To je mreža ili mreža. Ali moja studija pokazuje da je to predvidljivo. Postoji lijep predvidljiv obrazac u ovom složenom spletu života. "
Konačno, Martinovi rezultati, također objavljeni u PLOS Biology, također jačaju Merrillove nalaze, pokazujući da dvije vrste ostaju odvojene zbog jakih genetskih barijera unutar njihovog DNK nastalih prirodnom selekcijom - barijera poput povezanosti optiksa i reproduktivne sklonosti. Ta veza između boje krila i sklonosti parova ne može se izgubiti čak ni kod hibridnih leptira jer su dvije genetske osobine tako usko povezane - možda čak i pokretane istim genima. Takve genetske barijere čine specifikaciju predvidljivom unatoč dokazima o povijesnim događajima hibridizacije.
"Postoji predvidljivost zbog prirodne selekcije", kaže Martin. "Ne samo u stvaranju vrsta, već i u određivanju koji se geni prenose, a koji ne [to] povećava ulogu prirodnog odabira u evoluciji."
Kao sljedeći korak, Merrill se nada da će pronaći precizne gene koji su temelj ovog ponašanja u boji krila. Razmišlja možda pomoću strojnog učenja i video kamera kako bi tim omogućio da prikupi više podataka sljedeći put.
"Pokušavamo razviti metode za automatizaciju ovog procesa", kaže Merrill. Jednom kada tim ima specifične gene za ciljanje, oni mogu koristiti CRISPR za obavljanje studije nokauta i promatrati kako se leptiri ponašaju bez gena za koje se misli da kontroliraju njihovo ponašanje.
Bez gena koji kontroliraju leptir Heliconius-ove leptir boje boje krila, dvije odvojene vrste mogu biti sklonije pariti jedna s drugom. Da biste to sasvim sigurno saznali, Merrill će se možda morati vratiti u kavez leptira na Smithsonian Tropical Research Institute i sjesti i čekati da vidi može li uhvatiti bilo kakvu akciju insekata među vrstama. Iako, on ne bi imao ništa protiv.
"Nigdje drugdje u svijetu ne biste mogli to učiniti", kaže on.
