Umbes kümmekond aastat tagasi veedaks evolutsioonibioloog Richard Merrill mitu tundi päevas “kuumas, auravas Panamas”, istudes puuris, mis oli täidetud Heliconiuse liblikatega, oodates, et nad saaksid seksida.
“Kõlab glamuurselt, eks?” Naerab ta.
Merrill jälgis, kas isased hübriid- Heliconius liblikad flirdivad - hõljudes või jälitades - kas punaste tiibadega Heliconius melpomene rosina liblikatega või valgetiivaliste Heliconius cydno chioneus liblikatega. Ta dokumenteeris selle liblikate viisakuse hübriidide paaritaja eelistuse uurimiseks, mida ta koos meeskonnaga hiljem geneetilisel tasandil uurib.
Looduses on hübriid- Heliconiuse liblikad haruldased. Heliconius melpomene ja Heliconius cydno on mõlemad väga mürgised, arenedes välja oma tsüaniidi ja röövloomad on täpselt teada, kuidas mõlemad need mürgised putukad välja näevad. Kui mõlemad liigid omavahel aga arenevad, muutub nende tiibmuster mõlema värvimustri segavaks mash-upiks, muutes hübriid liblikad röövloomade jaoks silmapaistvaks sihtmärgiks. Selle tulemusel lõpevad hübriidide elud sageli enne, kui nad saavad sigida.
Eilses ajakirjas PLOS Biology avaldatud artiklis kinnitasid Merrill ja tema kolleegid esimest korda, et nende liblikate eelistatav paaritumiskäitumine on tõepoolest kirjas nende DNA-s. Täpsemalt, tema meeskond leidis genoomi vaid kolm osa, mis kontrollivad vähemalt 60 protsenti paarikaaslase valikukäitumisest.
"See illustreerib, et keerulist käitumist nagu tüürimehe eelistust saab seostada vaid kolme genoomi piirkonnaga, " ütleb Arkansase ülikooli evolutsioonibioloog Erica Westerman, kes uuringuga ei tegelenud. Arvatakse, et see on seotud paljude genoomi piirkondadega. See võimaldab meil võtta sihipärase lähenemisviisi, et näha, kuidas need geenid mõjutavad nende liblikate käitumist. ”
Kaks liiki - vasakul Heliconius cydno ja paremal - Heliconius melpomene - asuvad putukamajas . Looduses on see väga haruldane, kuid teadlased võivad neid vangistuses õhutada. (Luca Livraghi) Täpselt, kuidas need kaks Heliconiuse liblikat eraldi liikideks jäävad, on ikka veel mõistatus. Spetsifikatsioon ehk uue liigi loomise protsess on hõlpsasti seletatav, kui geograafilised piirid, näiteks mäed, jagavad ühe liigi füüsiliselt kaheks. Teadlaste jaoks on mõistatuseks see, et H. melpomene ja H. cydno on elanud üksteise kõrval samades ökosüsteemides, konkureerides samade ressursside pärast, enam kui miljon aastat. Kuid värvikad mürgised liblikad jäävad kaheks eraldi liigiks, keeldudes paaritumast ja ühendamast nende geneetilisi omadusi.
See on reproduktiivse eraldatuse nimega bioloogilise kontseptsiooni täiuslik tutvustus, mis on teinud Heliconiuse liblikatest evolutsiooniuuringute peamiseks subjektiks enam kui 100 aastat. Teadlased püstitavad hüpoteesi, et reproduktiivset isolatsiooni säilitatakse mõnel juhul võimsa assortatiivse paarituse kaudu, mis tähendab, et organism paljuneb ainult koos paaritusega, kes näeb välja nagu nad. Seetõttu ei ole neid eraldav barjäär keskkondlik, vaid pigem geneetiline.
Merrill, kes asub nüüd Müncheni Ludwig Maximiliani ülikoolis, ja kolleegid kasutasid meetodit, mis näitab, millistel genoomi piirkondadel on paarituskäitumisele suurim mõju, kuid nad ei täpsustanud täpselt geene. Isegi siis oli nende analüüs piisavalt selge, et näidata, et paaritumiseelistust mõjutav kolmest piirkonnast asub geen nimega optix, mis juhib teadaolevalt H. melpomene erksaid punaseid tiibu. ( Optixil on värvitoonile nii tugev mõju, et selle sisse- ja väljalülitamine geeni redigeerimise tööriista CRISPR abil võib liblika tiivad täiesti värvituks muuta.) Tegelikult on see geneetiline piirkond vaid 1, 2 sentiMorgaanid - ühikuid, mida kasutatakse kauguse mõõtmiseks geenide vahel kromosoomis - optixi geenist eemal.
Asjaolul, et paaritumuse eelistamist kontrollivad geneetilised stringid on nii lähedale optixile - geenile, mis loob tiivamustrid kui ka mõned muud visuaalsed näpunäited, on põnev mõju uurijatele, kes uurivad käitumise kujunemist nagu paaritumiseelistused.
Heliconius melpomene rosina liblikas toetub lillele. (Richard Merrill) "[See uuring] annab palju teavet selle kohta, kuidas eelistused ja eelistuste näpunäited on füüsiliselt seotud, " ütleb Chicago ülikooli evolutsioonibioloog Susan Finkbeiner, kes uuringuga ei tegelenud. Teadusuuringud toetavad ideed „et esikäppade värvimuster ja selle konkreetse esijala värvi eelistamine on üksteisega seotud“.
Kui paaritumiskäitumine ja eelistatud omadus on tõepoolest füüsiliselt ühte kromosoomi takerdunud, lähevad nad mõlemad hõlpsalt järgmisele põlvkonnale, säilitades kahe liigi vahelise geneetilise barjääri. "Uute liikide areng võib toimuda ilma füüsilisi tõkkeid esile kutsumata, nagu näiteks meri või mägi, " ütleb Merrill.
Teine uuring näitas, et kuigi hübriidide ellujäämine on haruldane, on viimase miljoni aasta jooksul juhtunud piisavalt, et neil kahel liblikal on kümme korda rohkem geneetilist materjali kui inimestel ja neandertallastel. Näib, et isegi paaril ristumisjuhul võib olla geneetikale tugev mõju.
Cambridge'i ülikooli evolutsioonibioloogi Simon Martini juhitud uurimistöös kasutati Heliconiuse üheksa populatsiooni täisgenoomi järjestuse määramiseks liblikate DNA piirkondi, kus hübridiseerumine ja looduslik valik on aja jooksul mõjutanud organismide geneetikat. Fakt, et liigid püsivad vaatamata väga sarnastele genoomidele nii visuaalselt eristuvad, kinnitab veelkord, kui võimsad evolutsioonijõud on elupuu kujundamisel.
"Evolutsiooniteed pole ainult üks, " ütleb Martin. “See on võrk või veeb. Kuid minu uuring näitab, et see on etteaimatav. Selles keerulises veebiveebis on ilus ennustatav muster. ”
Lõppkokkuvõttes tugevdavad ka Martini tulemused, mis avaldati ka ajakirjas PLOS Biology, Merrilli leide, näidates, et kaks liiki püsivad lahus tänu nende DNA-s esinevatele tugevatele geneetilistele tõketele, mis tekkisid loodusliku valiku kaudu - barjäärid, nagu optixi ja reproduktiivse eelistamise vaheline seos. Seda sidet tiivavärvi ja tüürimeelse vahel ei saa kaotada isegi hübriid liblikate puhul, kuna need kaks geneetilist tunnust on omavahel tihedalt seotud - võimalik, et neid juhivad isegi samad geenid. Sellised geneetilised tõkked muudavad spetsiifika ennustatavaks, hoolimata tõenditest ajalooliste hübridisatsiooni sündmuste kohta.
“Loodusliku valiku tõttu on etteaimatavus, ” ütleb Martin. "See ei ole mitte ainult liikide loomine, vaid ka selle kindlaksmääramine, millised geenid antakse edasi ja millised mitte. See suurendab loodusliku valiku rolli evolutsioonis."
Järgmise sammuna loodab Merrill leida täpsed geenid, mis selle tiiva-värvi-eelistuse käitumise aluseks on. Ta kaalub masinõppe ja videokaamerate kasutamist, et meeskond saaks järgmisel korral rohkem andmeid koguda.
"Proovime välja töötada meetodeid selle protsessi automatiseerimiseks, " ütleb Merrill. Kui meeskonnal on kindlad geenid, mille sihtmärgiks olla, saavad nad CRISPR-i abil teha nokkimisuuringuid ja jälgida, kuidas liblikad käituvad ilma geenideta, mis nende käitumist arvatakse kontrollivat.
Ilma geenideta, mis kontrollivad Heliconiuse liblikate valivat tiivavärvi eelistust, võivad kaks erinevat liiki olla pigem paaritunud. Kindel teadasaamine võib siiski olla, et Merrill peab minema tagasi liblikapuuri juurde Smithsoniani troopiliste uuringute instituuti ja istuma ja ootama, kas ta suudab tabada liikidevahelist putukate tegevust. Kuigi ta ei paneks seda pahaks.
"Kuskil mujal maailmas poleksite saanud seda uuringut teha, " ütleb ta.
