Circa un decennio fa, il biologo evoluzionista Richard Merrill trascorreva diverse ore al giorno nella "calda e calda Panama", seduto in una gabbia piena di farfalle Heliconius, in attesa che facessero sesso.
"Sembra affascinante, vero?" Ride.
Merrill stava tenendo traccia del fatto che le farfalle ibride maschi di Heliconius flirtassero - sotto forma di librarsi o inseguendo - con le farfalle Heliconius melpomene rosina ad ali rosse o le farfalle Heliononius cydno chioneus dalle ali bianche . Ha documentato questo corteggiamento delle farfalle per studiare le preferenze del compagno degli ibridi, che lui e il suo team avrebbero successivamente esaminato a livello genetico.
In natura, le farfalle ibride Heliconius sono rare. Heliconius melpomene e Heliconius cydno sono entrambi altamente velenosi, essendosi evoluti per produrre il proprio cianuro, e i predatori hanno imparato esattamente che aspetto hanno entrambi questi insetti tossici. Se le due specie si incrociano, tuttavia, il loro motivo ad ala diventa un disorientante miscuglio di entrambi i motivi di colore, rendendo le farfalle ibride un bersaglio eccezionale per la predazione. Di conseguenza, le vite degli ibridi spesso finiscono prima che possano riprodursi.
In un articolo pubblicato ieri sulla rivista PLOS Biology, Merrill e i suoi colleghi hanno confermato per la prima volta che il comportamento di accoppiamento preferenziale in queste farfalle è effettivamente scritto nel loro DNA. In particolare, il suo team ha scoperto solo tre parti del genoma che controllano almeno il 60 percento del comportamento di scelta del compagno.
"Illustra che un comportamento complesso come la preferenza del compagno può essere associato solo a tre regioni del genoma", afferma Erica Westerman, biologa evoluzionista dell'Università dell'Arkansas, che non era coinvolta nello studio. "Questo è qualcosa che si pensa sia associato a molte aree del genoma. Ci consentirà di adottare un approccio mirato per vedere come questi geni influenzano il comportamento di queste farfalle ".
Qui le due specie - Heliconius cydno, a sinistra, e Heliconius melpomene, a destra - corteggiano in un insetto. È molto raro in natura, ma gli scienziati possono indurli a farlo in cattività. (Luca Livraghi) Come queste due farfalle Heliconius rimangano specie separate è ancora un mistero. La speciazione, o il processo di creazione di una nuova specie, è facilmente spiegabile quando ci sono confini geografici, come le montagne, per dividere fisicamente una singola specie in due. Ciò che confonde gli scienziati è che H. melpomene e H. cydno hanno vissuto fianco a fianco negli stessi ecosistemi, in competizione per le stesse risorse, per oltre un milione di anni. Tuttavia, le farfalle colorate e velenose rimangono due specie separate, rifiutando di accoppiarsi e fondere i loro tratti genetici.
È una dimostrazione perfetta di un concetto biologico chiamato isolamento riproduttivo, che ha reso le farfalle di Heliconius materie prime per studi evolutivi da oltre 100 anni. Gli scienziati ipotizzano che l'isolamento riproduttivo sia mantenuto, in alcuni casi, attraverso un potente accoppiamento assortito, il che significa che un organismo si riprodurrà solo con un compagno che assomiglia a loro. Pertanto, la barriera che li divide non è ambientale, ma piuttosto genetica.
Merrill, che ora lavora presso la Ludwig Maximilian University di Monaco, e colleghi hanno usato un metodo che mostra quali aree del genoma hanno il maggiore effetto sul comportamento di accoppiamento, ma non hanno individuato i geni esatti. Anche così, la loro analisi è stata abbastanza chiara da mostrare che una delle tre regioni che influenzano le preferenze di accoppiamento è vicina a un gene chiamato optix, che è noto per controllare i vibranti schemi delle ali rosse in H. melpomene . ( Optix ha un'influenza così forte sul colore che accenderlo e spegnerlo usando lo strumento di modifica genica CRISPR può rendere le ali di una farfalla totalmente incolori.) In realtà, questa regione genetica è solo 1, 2 centiMorgans, che sono unità utilizzate per misurare la distanza tra geni su un cromosoma, lontano dal gene optix .
Il fatto che le stringhe genetiche che controllano le preferenze di accoppiamento siano così vicine all'optix, il gene che crea i modelli delle ali e alcuni altri segnali visivi, ha interessanti implicazioni per i ricercatori che studiano l'evoluzione di comportamenti come la preferenza di accoppiamento.
Una farfalla Heliconius melpomene rosina poggia su un fiore. (Richard Merrill) "[Questo studio] fornisce molte informazioni su come le preferenze e l'indicazione delle preferenze siano collegate fisicamente", afferma la biologa evoluzionista Susan Finkbeiner dell'Università di Chicago, che non è stata coinvolta nello studio. La ricerca supporta l'idea "che il modello di colore e la preferenza per quel particolare colore di associazione siano associati tra loro".
Se il comportamento di accoppiamento e il tratto preferito fossero effettivamente intrecciati fisicamente su un singolo cromosoma, sarebbero entrambi passati facilmente alla generazione successiva, mantenendo una sorta di barriera genetica tra le due specie. "Possiamo avere l'evoluzione di nuove specie senza evocare barriere fisiche, come mari o montagne", afferma Merrill.
Un secondo studio ha dimostrato che anche se la sopravvivenza ibrida è rara, negli ultimi milioni di anni è successo abbastanza che queste due farfalle condividano dieci volte più materiale genetico rispetto agli umani e ai Neanderthal. Anche alcuni eventi di incroci, a quanto pare, possono avere un forte effetto sulla genetica.
La ricerca, condotta dal biologo evoluzionista Simon Martin dell'Università di Cambridge, ha utilizzato il sequenziamento dell'intero genoma di nove popolazioni di Heliconius per individuare aree del DNA delle farfalle in cui l'ibridazione e la selezione naturale hanno influenzato la genetica degli organismi nel tempo. Il fatto che le specie rimangano così visivamente distinte nonostante genomi molto simili ribadisce quanto potenti forze evolutive siano nel plasmare l'albero della vita.
"Non esiste un solo percorso evolutivo", afferma Martin. “È una rete o un web. Ma il mio studio dimostra che è prevedibile. C'è un bellissimo schema prevedibile in questa complessa rete di vita. ”
In definitiva, i risultati di Martin, pubblicati anche su PLOS Biology, rafforzano anche le scoperte di Merrill, dimostrando che le due specie rimangono separate a causa delle forti barriere genetiche all'interno del loro DNA che sono sorte attraverso la selezione naturale - barriere come la connessione tra optix e preferenza riproduttiva. Questo legame tra il colore delle ali e la preferenza del compagno non può essere perso nemmeno nelle farfalle ibride perché i due tratti genetici sono così strettamente collegati, forse persino guidati dagli stessi geni. Tali barriere genetiche rendono prevedibile la speciazione nonostante l'evidenza di eventi storici di ibridazione.
"C'è prevedibilità a causa della selezione naturale", afferma Martin. "Non è solo nella creazione di specie, ma anche nel determinare quali geni vengono trasmessi e quali non aumentano il ruolo della selezione naturale nell'evoluzione."
Come passo successivo, Merrill spera di trovare i geni precisi alla base di questo comportamento di preferenza del colore delle ali. Sta riflettendo probabilmente sull'apprendimento automatico e sulle videocamere per consentire al team di raccogliere più dati la prossima volta.
"Stiamo cercando di sviluppare metodi per automatizzare questo processo", afferma Merrill. Una volta che il team ha specifici geni da prendere di mira, possono usare CRISPR per fare studi knockout e osservare come si comportano le farfalle senza i geni che si pensa controllino il loro comportamento.
Senza i geni che controllano la delicata preferenza per il colore delle ali delle farfalle di Heliconius, le due specie separate potrebbero essere più inclini a accoppiarsi tra loro. Per scoprirlo con certezza, tuttavia, Merrill potrebbe dover tornare alla gabbia delle farfalle presso lo Smithsonian Tropical Research Institute e sedersi e aspettare di vedere se riesce a catturare qualche azione tra gli insetti delle interspecie. Anche se non gli dispiacerebbe.
"Non c'è nessun altro posto al mondo in cui avresti potuto fare questo studio", afferma.
