Еще в 1879 году натуралист Фриц Мюллер отметил, что многие из бабочек Heliconius (Геликония), которые он обнаружил в Амазонии, имели одинаковые черные, красные и белые цвета крыльев, хотя они были разных видов.
Он рассуждал, что бабочки стали напоминать поразительную окраску друг друга - указывая птицам, что они токсичны и их не следует есть - помогая выживанию вида, потому что чем больше особей с этими окрасками, тем быстрее хищники учатся избегать их. Эту идею закрепили в научных учебниках как «мюллеровская мимикрия».
Как бабочки эволюционировали, чтобы быть похожими друг друга, долгое время оставалось загадкой. Один из актуальных вопросов для эволюционных биологов заключается в том: шли ли пары одинаковых видов бабочек одним и тем же путем, чтобы достичь одного и того же цветового рисунка, каждый раз используя один и тот же генетический механизм развития, или изобретали новые механизмы?
Исследования показывают, что, хотя у похожих видов Геликония для окрашивания крыльев используется один и тот же ген, он находится под разным эпигенетическим контролем, что в конечном итоге свидетельствует о том, что существует несколько способов достижения одинаковой окраски. Полученные данные дополняют результаты другого исследования, в котором подробно рассматриваются регуляторные сети, лежащие в основе цветового паттерна рода Геликония, и показано, как насекомые используют относительно немного генов для создания такого поразительного разнообразия.
Это удивительно, что одного и того же можно добиться разными способами.
Команда исследователей решили сосредоточить свои исследования на гене развития WntA , одном из четырех основных генов, которые, как известно, играют важную роль в цветовой гамме крыльев у 40-видового рода Геликония. В начале развития крыла гусеницы производят WntA, белок, который распространяется по крылу, создавая градиент концентрации, который инструктирует другие белки и гены создавать узоры определенного цвета на крыле. Ген WntA важен для генерации характерных полос во многих видов Геликония.
Команда выбила ген WntA в трёх парах отдаленно связанных, но идентичных видах, чтобы исследовать влияние на окраску.
Отдаленно родственные центральноамериканские виды H.hewitsoni и H.pachinus, оба черного цвета и имеют две характерные тонкие белые полосы на переднем крыле и одну на заднем крыле. После того, как WntA был выбит, Х.hewitsoni с двойной полосой была объединена в одно большое белое пятно на нижнем переднем крыле, в то время как Х.pachinus мутант провел два больших пятна у основания и на конце крыла.
Исследователи наблюдали сходные различия в границах окраски крыльев между когда-то похожими парами H.erato и H.melpomene, а также между H. sapho и H. cydno chioneus : черные пятна сменились на красный или желтый. Несмотря на отсутствие различий в последовательности самого WntA в роде Геликония, его выбивание оказало различное влияние на похожие виды. Поэтому WntA, чтобы достичь похожести, действует по-разному у одинаковых видов.
Одно из вероятных объяснений этих различий заключается в том, что WntA может подвергаться различной генетической регуляции. Другими словами, бабочки не "изобретают заново колесо", чтобы получить один и тот же образец цвета - они все используют один и тот же ген, но используют его по-разному. По мере расхождения геномов (в эволюции видов) могут меняться способы использования этих генов. Морфологии, которые в значительной степени идентичны, могут быть достигнуты путем использования генов по-разному.
Открытие показывает, что существуют другие гены и очень интересно, как они вступают в игру, как они на самом деле образуют эти различные (регуляторные) сети?
Группа ученых внимательно изучила ген optix, который ответственен за получение красных цветовых паттернов у бабочек Геликония. С помощью нескольких специализированных анализов исследователи определили пять регуляторных элементов, которые усиливают экспрессию optix, и их выбивание последовательно выявило сложную генетическую архитектуру, в которой энхансеры взаимодействовали друг с другом и контролировали множество аспектов узоров красного цвета.
На самом деле сложность заключается не в количестве генов, которых очень мало, а в том, что касается эволюции тех регуляторных элементов, которые определяют разнообразие между бабочек.
Другие фенотипы в природе часто определяются очень большим количеством генов, разбросанных по всему геному, однако у этих бабочек Геликония есть система, в которой только несколько генов играют ключевую роль в переключении цветовых паттернов, благодаря сложной регулирующей архитектуре.
Одна из возможных причин, по которой виды Геликония используют относительно небольшое количество генов для контроля цветовых моделей, заключается в том, что они много скрещиваются друг с другом. Ученые проиллюстрировали собрание из 20 геномов Геликония, часто скрещивающихся в основных кланах рода.
Повторяющиеся вспышки рекомбинации с другими видами могут легко разрушить большое количество генов, которые растянуты по всему геному, в то время как этого не произойдет, если гены, контролирующие изменение цвета, ограничены несколькими локусами. Если интрогрессия является основной чертой их эволюции, то это сильно испортит цветовые узоры, если у них нет относительно небольшого количества локусов.
Все эти открытия вместе представляют собой очень хороший пример того, как сложную картину можно теперь развить практически для любой формы жизни, - пока возможно культивировать ее и получить ее ДНК, можно проводить невероятно сложные исследования.
В будущем эта способность поможет исследователям более широко отвечать на вопросы о предсказуемости эволюции. И только тогда можно будет начать обобщать предсказуемость эволюции, важность сетей регуляции генов, их структуру и так далее.
