Vor etwa einem Jahrzehnt verbrachte der Evolutionsbiologe Richard Merrill mehrere Stunden am Tag im „heißen, dampfenden Panama“ in einem Käfig voller Heliconius- Schmetterlinge und wartete darauf, dass sie Sex hatten.
"Klingt glamourös, oder?", Lacht er.
Merrill verfolgte, ob männliche hybride Heliconius- Schmetterlinge mit rotflügeligen Heliconius-Melpomene-Rosina- Schmetterlingen oder weißflügeligen Heliconius-Cydno-Chioneus- Schmetterlingen flirten würden - in Form von Schweben oder Jagen. Er dokumentierte diese Schmetterlingswerbung, um die Partnerpräferenz der Hybriden zu untersuchen, die er und sein Team später auf genetischer Ebene untersuchen würden.
In der Natur sind hybride Heliconius- Schmetterlinge selten. Heliconius Melpomene und Heliconius Cydno sind beide hochgiftig, da sie sich zu einem eigenen Cyanid entwickelt haben, und Raubtiere haben genau gelernt, wie diese beiden giftigen Insekten aussehen. Wenn sich die beiden Arten jedoch kreuzen, wird ihr Flügelmuster zu einem verwirrenden Mash-up beider Farbmuster, was die Hybridschmetterlinge zu einem hervorstechenden Ziel für Raubtiere macht. Infolgedessen endet das Leben der Hybriden oft, bevor sie sich fortpflanzen können.
In einem gestern in der Fachzeitschrift PLOS Biology veröffentlichten Artikel haben Merrill und seine Kollegen zum ersten Mal bestätigt, dass das bevorzugte Paarungsverhalten dieser Schmetterlinge tatsächlich in ihrer DNA verankert ist. Insbesondere fand sein Team nur drei Teile des Genoms, die mindestens 60 Prozent des Verhaltens der Partnerwahl kontrollieren.
"Es zeigt, dass ein komplexes Verhalten wie die Präferenz eines Partners nur mit drei Regionen des Genoms in Verbindung gebracht werden kann", sagt Erica Westerman, eine Evolutionsbiologin an der Universität von Arkansas, die nicht an der Studie beteiligt war. „Es wird angenommen, dass dies mit vielen Bereichen des Genoms zusammenhängt. Auf diese Weise können wir gezielt untersuchen, wie diese Gene das Verhalten dieser Schmetterlinge beeinflussen. “
Hier hofieren die beiden Arten - Heliconius cydno (links) und Heliconius melpomene (rechts) - in einem Insektarium. In der Natur ist das sehr ungewöhnlich, aber Wissenschaftler können sie dazu bewegen, es in Gefangenschaft zu tun. (Luca Livraghi) Wie genau diese beiden Heliconius- Schmetterlinge getrennte Arten bleiben, ist immer noch ein Rätsel. Speziation oder der Prozess der Schaffung einer neuen Art lässt sich leicht erklären, wenn es geografische Grenzen gibt, wie z. B. Berge, um eine einzelne Art physikalisch in zwei Arten zu unterteilen. Das Rätsel der Wissenschaftler ist, dass H. Melpomene und H. Cydno seit mehr als einer Million Jahren in denselben Ökosystemen leben und um dieselben Ressourcen konkurrieren. Die bunten, giftigen Schmetterlinge bleiben jedoch zwei getrennte Arten, die sich weigern, sich zu paaren und ihre genetischen Merkmale zu verbinden.
Es ist eine perfekte Demonstration eines biologischen Konzepts namens reproduktive Isolation, das Heliconius- Schmetterlinge seit mehr als 100 Jahren zu Hauptthemen für Evolutionsstudien gemacht hat. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die reproduktive Isolation in einigen Fällen durch eine starke assortative Paarung aufrechterhalten wird, was bedeutet, dass sich ein Organismus nur mit einem Partner fortpflanzen wird, der so aussieht wie er. Daher ist die Barriere, die sie trennt, nicht umweltbedingt, sondern genetisch bedingt.
Merrill, der jetzt an der Ludwig-Maximilians-Universität in München arbeitet, und Kollegen verwendeten eine Methode, die zeigt, welche Bereiche des Genoms den größten Einfluss auf das Paarungsverhalten haben, die genauen Gene jedoch nicht genau bestimmt. Trotzdem war ihre Analyse klar genug, um zu zeigen, dass sich eine der drei Regionen, die die Paarungspräferenz beeinflussen, in der Nähe eines Gens namens optix befindet, von dem bekannt ist, dass es die lebhaften Rotflügelmuster in H. melpomene kontrolliert. ( Optix hat einen so starken Einfluss auf die Farbe, dass das Ein- und Ausschalten mit dem Gen-Editing-Tool CRISPR die Flügel eines Schmetterlings völlig farblos macht.) Tatsächlich beträgt diese genetische Region nur 1, 2 CentiMorgans - Einheiten, mit denen die Entfernung gemessen wird zwischen Genen auf einem Chromosom - vom Optix- Gen entfernt.
Die Tatsache, dass die genetischen Ketten, die die Paarungspräferenz steuern, so nahe an Optix liegen, dem Gen, das die Flügelmuster sowie einige andere visuelle Hinweise erzeugt, hat für Forscher, die die Entwicklung von Verhaltensweisen wie die Paarungspräferenz untersuchen, aufregende Implikationen.
Ein Heliconius Melpomene Rosina Schmetterling ruht auf einer Blume. (Richard Merrill) „[Diese Studie] bietet einen umfassenden Einblick in die physikalische Verknüpfung von Präferenz und Präferenz“, sagt die Evolutionsbiologin Susan Finkbeiner von der University of Chicago, die nicht an der Studie beteiligt war. Die Studie stützt die Idee, „dass das Muster und die Vorliebe für diese bestimmte Vorfarbe miteinander verbunden sind“.
Wenn das Paarungsverhalten und das bevorzugte Merkmal tatsächlich physisch auf einem einzelnen Chromosom verwickelt sind, dann würden beide problemlos an die nächste Generation weitergegeben, wodurch eine Art genetische Barriere zwischen den beiden Arten aufrechterhalten würde. „Wir können neue Arten entwickeln, ohne dass physische Barrieren wie Meere oder Berge entstehen“, sagt Merrill.
Eine zweite Studie hat gezeigt, dass diese beiden Schmetterlinge in den letzten Millionen Jahren zehnmal mehr genetisches Material gemeinsam haben als Menschen und Neandertaler, obwohl das hybride Überleben selten ist. Es scheint, dass sogar ein paar Kreuzungsereignisse einen starken Einfluss auf die Genetik haben können.
Die von dem Evolutionsbiologen Simon Martin von der Universität Cambridge geleitete Untersuchung verwendete die Sequenzierung des gesamten Genoms von neun Populationen von Heliconius, um Bereiche der Schmetterlings-DNA zu lokalisieren, in denen Hybridisierung und natürliche Selektion die Genetik der Organismen im Laufe der Zeit beeinflusst haben. Die Tatsache, dass die Arten trotz sehr ähnlicher Genome visuell so verschieden bleiben, bestätigt erneut, wie stark die evolutionären Kräfte den Baum des Lebens formen.
"Es gibt nicht nur einen evolutionären Weg", sagt Martin. „Es ist ein Netzwerk oder ein Web. Aber meine Studie zeigt, dass es vorhersehbar ist. In diesem komplexen Netz des Lebens gibt es ein schönes vorhersehbares Muster. “
Letztendlich stützen Martins Ergebnisse, die ebenfalls in PLOS Biology veröffentlicht wurden, auch Merrills Ergebnisse, die zeigen, dass die beiden Arten aufgrund der starken genetischen Barrieren innerhalb ihrer DNA, die durch natürliche Selektion entstanden sind - Barrieren wie die Verbindung zwischen Optix und reproduktiver Präferenz - getrennt bleiben. Diese Bindung zwischen Flügelfarbe und Partnerpräferenz kann auch bei Hybridschmetterlingen nicht verloren gehen, da die beiden genetischen Merkmale so eng miteinander verbunden sind - möglicherweise sogar von denselben Genen gesteuert. Solche genetischen Barrieren machen die Speziation trotz der Hinweise auf historische Hybridisierungsereignisse vorhersehbar.
"Es gibt Vorhersehbarkeit wegen der natürlichen Auslese", sagt Martin. "Es ist nicht nur bei der Schaffung von Arten, sondern auch bei der Bestimmung, welche Gene weitergegeben werden und welche nicht, [was] die Rolle der natürlichen Selektion in der Evolution erhöht."
Als nächsten Schritt hofft Merrill, die genauen Gene zu finden, die diesem Verhalten der Flügelfarbenpräferenz zugrunde liegen. Er denkt darüber nach, möglicherweise maschinelles Lernen und Videokameras zu verwenden, damit das Team beim nächsten Mal mehr Daten sammeln kann.
"Wir versuchen, Methoden zu entwickeln, um diesen Prozess zu automatisieren", sagt Merrill. Sobald das Team bestimmte Gene im Visier hat, kann es mit CRISPR Knockout-Studien durchführen und beobachten, wie sich Schmetterlinge ohne die Gene verhalten, von denen angenommen wird, dass sie ihr Verhalten kontrollieren.
Ohne die Gene, die die wählerische Flügelfarbenpräferenz der Heliconius- Schmetterlinge steuern, sind die beiden Arten möglicherweise eher geneigt, sich miteinander zu paaren. Um dies jedoch sicher herauszufinden, muss Merrill möglicherweise zum Schmetterlingskäfig des Smithsonian Tropical Research Institute zurückkehren und abwarten, ob er irgendwelche Insektenaktionen zwischen den Spezies fangen kann. Obwohl es ihm nichts ausmachen würde.
"Nirgendwo sonst auf der Welt hätten Sie diese Studie durchführen können", sagt er.
