Около десяти лет назад биолог-эволюционист Ричард Меррилл проводил несколько часов в день в «горячей, парной Панаме», сидя в клетке, наполненной бабочками Геликония, ожидая, когда они займутся сексом.
«Звучит гламурно, правда?» - смеется он.
Меррилл отслеживал, будут ли флиртовать мужские гибридные бабочки Heliconius - в виде зависания или погони - с красными крыльями Heliconius melpomene rosina или с белыми крыльями Heliconius cydno chioneus . Он задокументировал это ухаживание за бабочкой, чтобы изучить предпочтения супругов гибридов, которые он и его команда позже изучат на генетическом уровне.
В природе гибридные бабочки Heliconius встречаются редко. Heliconius melpomene и Heliconius cydno являются очень ядовитыми, эволюционировав для производства своего собственного цианида, и хищники точно поняли, как выглядят эти токсичные насекомые. Однако, если эти два вида скрещиваются, их рисунок крыльев становится дезориентирующим сочетанием обоих цветовых рисунков, что делает гибридных бабочек особой мишенью для хищников. В результате жизнь гибридов часто заканчивается прежде, чем они смогут размножаться.
В статье, опубликованной вчера в журнале PLOS Biology, Меррилл и его коллеги впервые подтвердили, что предпочтительное поведение спаривания у этих бабочек действительно записано в их ДНК. В частности, его команда нашла только три части генома, которые контролируют как минимум 60 процентов поведения при выборе партнера.
«Это показывает, что такое сложное поведение, как предпочтения партнера, может быть связано только с тремя областями генома», - говорит Эрика Вестерман, биолог-эволюционист из Университета Арканзаса, который не участвовал в исследовании. «Считается, что это связано с множеством областей генома. Это позволит нам принять целенаправленный подход, чтобы увидеть, как эти гены влияют на поведение этих бабочек ».
Здесь два вида - Heliconius cydno (слева) и Heliconius melpomene (справа) встречаются в насекомом . Это очень редко в дикой природе, но ученые могут побудить их сделать это в неволе. (Лука Ливраги) Как именно эти две бабочки Heliconius остаются отдельными видами, до сих пор остается загадкой. Видообразование или процесс создания нового вида легко объясняется, когда существуют географические границы, например горы, для физического разделения одного вида на два. Что озадачивает ученых, так это то, что H. melpomene и H. cydno живут рядом друг с другом в одних и тех же экосистемах, конкурируя за одни и те же ресурсы, более одного миллиона лет. Тем не менее, красочные, ядовитые бабочки остаются двумя отдельными видами, отказываясь спариваться и объединять свои генетические черты.
Это идеальная демонстрация биологической концепции, называемой репродуктивной изоляцией, которая делает бабочек Heliconius основными субъектами эволюционных исследований на протяжении более 100 лет. Ученые выдвигают гипотезу, что репродуктивная изоляция поддерживается, в некоторых случаях, посредством мощного ассортативного спаривания, что означает, что организм будет размножаться только с партнером, который похож на них. Поэтому барьер, который их разделяет, не экологический, а генетический.
Меррилл, который в настоящее время базируется в Мюнхенском университете им. Людвига Максимилиана, и его коллеги использовали метод, который показывает, какие области генома оказывают наибольшее влияние на поведение при спаривании, но они не определили точные гены. Несмотря на это, их анализ был достаточно четким, чтобы показать, что одна из трех областей, влияющих на предпочтения спаривания, находится рядом с геном, называемым optix, который, как известно, контролирует яркие красные крылья в H. melpomene . ( Optix оказывает такое сильное влияние на цвет, что включение и выключение его с помощью инструмента редактирования генов CRISPR может сделать крылья бабочки совершенно бесцветными.) На самом деле, эта генетическая область составляет всего 1, 2 сантиметра - это единицы, используемые для измерения расстояния между генами в хромосоме - от гена optix .
Тот факт, что генетические нити, управляющие предпочтениями супругов, настолько близки к optix, гену, который создает паттерны крыла, а также некоторые другие визуальные сигналы, имеет захватывающее значение для исследователей, изучающих эволюцию поведения, такого как предпочтения спаривания.
Бабочка Heliconius melpomene rosina опирается на цветок. (Ричард Меррилл) «[Это исследование] дает глубокое понимание того, как предпочтения и реплики предпочтений связаны физически», - говорит эволюционный биолог Сьюзан Финкбейнер из Чикагского университета, который не принимал участия в исследовании. Исследование поддерживает идею «что цветовой рисунок переднего крыла и предпочтение этого конкретного цвета переднего крыла связаны друг с другом».
Если брачное поведение и предпочтительный признак действительно физически запутаны в одной хромосоме, то они с легкостью будут переданы следующему поколению, сохраняя своего рода генетический барьер между двумя видами. «У нас может быть эволюция новых видов без создания физических барьеров, таких как моря или горы», - говорит Меррил.
Второе исследование показало, что, хотя выживание гибридов встречается редко, за последние миллионы лет этого произошло достаточно, чтобы эти две бабочки имели в десять раз больше генетического материала, чем люди и неандертальцы. Кажется, что даже несколько межпородных событий могут оказать сильное влияние на генетику.
Исследование, проведенное биологом-эволюционистом Саймоном Мартином из Кембриджского университета, использовало последовательность всего генома девяти популяций Heliconius, чтобы точно определить участки ДНК бабочек, где гибридизация и естественный отбор повлияли на генетику организмов с течением времени. Тот факт, что виды остаются настолько визуально различимыми, несмотря на очень сходные геномы, подтверждает, насколько мощные эволюционные силы формируют древо жизни.
«Существует не один эволюционный путь», - говорит Мартин. «Это сеть или сеть. Но мое исследование показывает, что это предсказуемо. В этой сложной сети жизни есть прекрасная предсказуемая закономерность ».
В конечном счете, результаты Мартина, также опубликованные в PLOS Biology, также подтверждают выводы Merrill, показывая, что эти два вида остаются отдельными из-за сильных генетических барьеров в их ДНК, возникших в результате естественного отбора - таких барьеров, как связь между optix и репродуктивными предпочтениями. Эта связь между цветом крыльев и предпочтениями партнера не может быть потеряна даже у гибридных бабочек, потому что две генетические черты так тесно связаны - возможно, даже обусловлены одними и теми же генами Такие генетические барьеры делают видообразование предсказуемым, несмотря на свидетельства исторических событий гибридизации.
«Существует предсказуемость из-за естественного отбора», - говорит Мартин. «Дело не только в создании видов, но и в определении того, какие гены передаются, а какие нет, что повышает роль естественного отбора в эволюции».
В качестве следующего шага Merrill надеется найти точные гены, лежащие в основе этого поведения предпочтений цвета крыльев. Он обдумывает возможность использования машинного обучения и видеокамер, чтобы позволить команде собрать больше данных в следующий раз.
«Мы пытаемся разработать методы для автоматизации этого процесса», - говорит Меррил. Когда у команды есть определенные гены для цели, они могут использовать CRISPR для изучения нокаута и наблюдать, как бабочки ведут себя без генов, которые, как считается, контролируют их поведение.
Без генов, которые контролируют привередливые предпочтения цвета крыльев Heliconius, эти два отдельных вида могли бы быть более склонными к спариванию друг с другом. Тем не менее, чтобы узнать наверняка, Мерриллу, возможно, придется вернуться к клетке-бабочке в Смитсоновском институте тропических исследований и сесть и подождать, чтобы узнать, сможет ли он поймать какое-либо действие межвидового насекомого. Хотя он не против.
«Больше нигде в мире вы не смогли бы провести это исследование», - говорит он.
