Alasan Rama-rama Yang Tidak Beracun Ini Tidak Ditandatangankan Ditulis dalam DNA mereka

Kira-kira satu dekad yang lalu, ahli biologi evolusi Richard Merrill akan menghabiskan beberapa jam sehari dalam "Panama panas, panas", duduk di dalam sangkar yang dipenuhi dengan rama-rama Heliconius, menunggu mereka bersekolah.

"Bunyi glamor, kan?" Dia ketawa.

Merrill mengawasi sama ada rama-rama Heliconius hibrida lelaki akan menggoda-dalam bentuk melayang atau mengejar-dengan sama ada rama-rama Heliconius melpomene rosina merah atau kupu-kupu Heliconius cydno chioneus bersayap putih. Dia mendokumentasikan pacaran rama-rama itu untuk mempelajari keinginan pasangan hybrids, yang dia dan timnya akan meneliti pada tahap genetik.

Secara semulajadi, rama-rama helikonius hibrida jarang berlaku. Heliconius melpomene dan Heliconius cydno adalah kedua-dua sangat beracun, yang telah berkembang untuk menghasilkan sianida sendiri, dan pemangsa telah mengetahui sama ada kedua-dua serangga toksik tersebut kelihatan seperti. Sekiranya kedua-dua spesies itu bersambungan, bagaimanapun, corak sayap mereka menjadi lebih buruk dari kedua-dua corak warna, menjadikan rama-rama hibrida sebagai sasaran utama untuk pemangsaan. Akibatnya, hibrida 's kehidupan sering berakhir sebelum mereka boleh membiak.

Dalam makalah yang disiarkan semalam dalam jurnal PLOS Biology, Merrill dan rakan-rakannya telah mengesahkan untuk pertama kalinya bahawa tingkah laku perkawinan istimewa dalam rama-rama ini memang ditulis dalam DNA mereka. Khususnya, pasukannya mendapati hanya tiga bahagian genom yang mengawal sekurang-kurangnya 60 peratus daripada kelakuan pilihan pasangan.

"Ia menggambarkan bahawa kelakuan yang kompleks seperti keinginan pasangan boleh dikaitkan dengan hanya tiga wilayah genom, " kata Erica Westerman, ahli biologi evolusi di University of Arkansas, yang tidak terlibat dalam kajian itu. "Ini adalah sesuatu yang difikirkan dikaitkan dengan banyak bidang genom. Ia akan membolehkan kita mengambil pendekatan yang disasarkan untuk melihat bagaimana gen ini mempengaruhi tingkah laku rama-rama ini. "

Tepat bagaimana kedua-dua rama-rama Heliconius ini tetap menjadi spesies yang berasingan masih menjadi misteri. Spesifikasi, atau proses penciptaan spesies baru, mudah dijelaskan apabila ada batasan geografi, seperti gunung, secara fisik membahagikan spesies tunggal dalam dua. Teka-teki saintis apa yang dikatakan oleh H. melpomene dan H. cydno hidup bersama di dalam ekosistem yang sama, bersaing untuk sumber yang sama, selama lebih dari satu juta tahun. Namun, rama-rama yang berwarna-warni dan beracun kekal dua spesies yang berasingan, menolak untuk mengikat dan menggabungkan sifat-sifat genetik mereka.

Ini adalah demonstrasi yang sempurna dari konsep biologi yang dipanggil pengasingan pembiakan, yang menjadikan Heliconius rama-rama mata pelajaran utama untuk kajian evolusi selama lebih dari 100 tahun. Para saintis menganggap hipotesis bahawa pengasingan pembiakan dikekalkan, dalam beberapa kes, melalui perkawinan asstatif yang kuat, yang artinya organisme hanya akan membiak dengan pasangan yang kelihatan seperti itu. Oleh itu, halangan yang membahagikannya bukanlah alam sekitar, tetapi sebaliknya genetik.

Merrill, yang kini berpusat di Ludwig Maximilian University of Munich, dan rakan-rakannya menggunakan kaedah yang menunjukkan kawasan mana genom mempunyai kesan terbesar terhadap tingkah laku kawin, tetapi mereka tidak menentukan gen yang tepat. Walaupun demikian, analisis mereka cukup jelas untuk menunjukkan bahawa salah satu daripada tiga kawasan yang mempengaruhi keutamaan mengawan adalah berhampiran dengan gen yang dipanggil optix, yang dikenali untuk mengawal corak sayap merah bertenaga di H. melpomene . ( Optix mempunyai pengaruh yang kuat terhadap warna yang menjadikannya dihidupkan dan dimatikan menggunakan alat pengeditan gen CRISPR boleh membuat sayap rama-rama sama sekali tidak berwarna.) Malah, rantau genetik ini hanya 1.2 centiMorgans - yang merupakan unit yang digunakan untuk mengukur jarak antara gen pada kromosom-jauh dari gen optik .

Hakikat bahawa tali genetik yang mengawal keutamaan pasangan sangat dekat dengan optix, gen yang membentuk corak sayap serta beberapa petunjuk visual yang lain, mempunyai implikasi yang menarik bagi para penyelidik yang mempelajari evolusi tingkah laku seperti keutamaan mengawan.

"[Kajian ini] memberikan banyak pandangan tentang bagaimana isyarat keutamaan dan keutamaan dikaitkan secara fizikal, " kata ahli biologi evolusi Susan Finkbeiner dari University of Chicago, yang tidak terlibat dalam kajian itu. Penyelidikan ini menyokong idea "bahawa corak warna dan keinginan untuk mewarnai warna penyamaran tertentu dikaitkan dengan satu sama lain."

Jika tingkah laku perkahwinan dan ciri-ciri yang disukai secara fizikalnya tersangkut pada kromosom tunggal, maka kedua-duanya akan diteruskan kepada generasi akan datang dengan mudah, mengekalkan penghalang genetik antara kedua-dua jenis ini. "Kita boleh mempunyai evolusi spesies baru tanpa membangkitkan halangan fizikal, seperti laut atau gunung, " kata Merrill.

Satu kajian kedua menunjukkan bahawa walaupun kelangsungan hidup hibrid adalah jarang, ia berlaku cukup selama satu juta tahun terakhir bahawa kedua-dua rama-rama itu sepuluh kali lebih banyak bahan genetik daripada manusia dan Neanderthal. Malah, beberapa kejadian perkembangbiakan, seolah-olah, mempunyai kesan yang kuat terhadap genetik.

Penyelidikan yang diketuai oleh ahli biologi evolusi, Simon Martin dari University of Cambridge, menggunakan jujukan genom seluruh sembilan penduduk Heliconius untuk menentukan kawasan DNA kupu-kupu di mana hibridisasi dan pemilihan semula jadi telah mempengaruhi genetik organisma dari masa ke masa. Fakta bahawa spesies ini tetap berbeza secara visual walaupun terdapat genom yang sangat serupa menegaskan bagaimana kekuatan evolusi yang kuat dalam membentuk pokok kehidupan.

"Bukan hanya satu jalan evolusi, " kata Martin. "Ia rangkaian atau web. Tetapi kajian saya menunjukkan bahawa ia boleh diramalkan. Terdapat corak yang boleh diramalkan dalam kehidupan dunia yang kompleks ini. "

Akhirnya, keputusan Martin, juga diterbitkan dalam PLOS Biology, menguatkan penemuan Merrill juga, menunjukkan bahawa kedua spesies ini tetap terpisah kerana halangan genetik yang kuat dalam DNA mereka yang timbul melalui halangan pemilihan semulajadi seperti hubungan antara optix dan keutamaan reproduktif. Ikatan antara warna sayap dan keutamaan pasangan tidak dapat hilang walaupun dalam rama-rama hibrida kerana kedua-dua sifat genetik sangat berkaitan dengannya-mungkin juga didorong oleh gen yang sama. Halangan genetik sedemikian membuat spesiasi dapat diramal walaupun bukti peristiwa hibridisasi bersejarah.

"Terdapat kebolehprediksi kerana pemilihan semula jadi, " kata Martin. "Ia bukan sahaja dalam penciptaan spesies tetapi juga untuk menentukan gen yang diluluskan dan yang tidak meningkatkan peranan pemilihan semula jadi dalam evolusi."

Sebagai langkah seterusnya, Merrill berharap untuk mencari gen yang tepat yang mendasari kelakuan keutamaan warna sayap ini. Dia memikirkan kemungkinan menggunakan mesin pembelajaran dan kamera video untuk membolehkan pasukan mengumpulkan lebih banyak data pada masa akan datang.

"Kami cuba untuk membangunkan kaedah untuk mengautomasikan proses ini, " kata Merrill. Sebaik sahaja pasukan itu mempunyai gen khusus untuk disasarkan, mereka boleh menggunakan CRISPR untuk melakukan kajian kalah mati dan memerhatikan bagaimana kupu-kupu berkelakuan tanpa gen yang dianggap mengawal kelakuan mereka.

Tanpa gen yang mengawal keinginan warna sayap Heliconius kupu-kupu, kedua-dua spesies yang berasingan mungkin lebih cenderung untuk menjadi pasangan dengan satu sama lain. Untuk mengetahui dengan pasti, bagaimanapun, Merrill mungkin perlu kembali ke sangkar kupu-kupu di Institut Penyelidikan Tropika Smithsonian dan duduk dan tunggu untuk melihat apakah dia dapat menangkap apa-apa tindakan serangga interspesies. Walaupun, dia tidak keberatan.

"Tidak ada tempat lain di dunia yang anda boleh lakukan kajian ini, " katanya.