Asné věci jsou poblíž: zajímavá fakta o motýlech – Prodej živých motýlů v Moskvě a Moskevské oblasti

Studie motýlů, kteří se živí listy, odhaluje nový mechanismus pro fixaci adaptací

Obsah:

• Vývoj rodu • Genetický základ zbarvení • Vývoj barevného polymorfismu

V přírodě existuje mnoho příkladů mimikry: pakobylky připomínající suché větve, kudlanky nábožné, které splývají s květy, a někdy se kopie stává téměř nerozeznatelnou od originálu. Motýli listokřídlí (rod Kalima) z jihovýchodní Asie mají jasné barvy typické pro jejich čeleď, ale se složenými křídly jsou k nerozeznání od suchých listů (Obr. 1). Křídla je napodobují nejen barvou – vzor opakuje žilkování, texturu a dokonce i stopy rozkladu a končí výběžkem připomínajícím řapík. Evoluční vývoj takového komplexního rysu je pro badatele velkou záhadou: formoval se postupně, nebo mílovými kroky, jaké jsou genetické mechanismy? V článku z roku 2022 Evoluce a diverzifikace motýlů dubových listů, publikováno v časopise Buňka, autoři se k pochopení těchto problémů velmi přiblížili 1 .

Obr. 1. Motýl Callima inachus Zdroj >>

Vývoj rodu

Studovat evoluční historii rodu Kalima, vědci shromáždili 36 vzorků patřících k 6 druhům (K. knyvettii, K. limborgii amplirufa, K. paralekta, K. incognita a K. alicia), z 11 biotopů motýlů ve východní a jihovýchodní Asii (Obr. 2). V jihozápadním Tibetu žily tři druhy, což vedlo vědce k domněnce, že Himálaj byl buď centrem původu rodu, nebo refugiem – místem, kde tento druh zažíval nepříznivé klimatické podmínky. Pro potvrzení této domněnky bylo studováno 3 celogenomových sekvencí z 105 rodů motýlů patřících do čeledi Nymphalidae, včetně rodu Kalimaa byl sestrojen fylogenetický strom. Kalima, jak se dalo očekávat, na něm tvoří monofyletickou skupinu, ale jako celek je skupina motýlů napodobujících listy polyfyletická. Jinými slovy, tento typ mimikry se objevoval opakovaně.

Sledovat vznik rodu KalimaVědci použili analýzu hlavních komponent (PCA) a program ADMIXTURE, který se používá k určení příspěvku předkových populací k určitému genotypu, například různých etnických skupin u jednoho jedince. Jejich přístup byl zaměřen na identifikaci populační struktury předkového druhu na základě genotypových dat. Vytvoření modelů v ADMIXTURE s následnou křížovou validací ukázalo, že s největší pravděpodobností sestávala z 5 populací, což zhruba odpovídá 6 studovaným druhům.

Vědci poté použili metody sekvenčního markovského koalescentního modelování (PSMC a SMC++) k modelování velikosti populací motýlů a procesu druhové divergence (jejich princip fungování je založen na hypotéze korelace mezi genetickou rozmanitostí populací a jejich velikostí). Ukázalo se, že kontinentální druhy se vyznačují větší velikostí předkové populace než ostrovní druhy. Například u ostrovního druhu K. knyvettiiPro další studium populační dynamiky vybraných druhů byla provedena analýza s využitím metody Generalized Phylogenetic Coalescent Sample (G-PhoCS) a Tree-mix. Obě metody potvrdily přítomnost toku genů v rámci předkových druhů – od populací motýlů na pevnině k ostrovním populacím. Například od populací na ostrově Medog (jihovýchodní Tibet) k ostrovním populacím na ostrově Hainan (kde K. alicia alicia) a Javě (K. paralecta).

Obr. 2. Místa shromažďování motýlů rodu Kalima s fotografiemi horní a dolní strany křídel.

S ohledem na data o toku genů a době druhové divergence vědci dospěli k závěru, že klima hrálo roli ve speciaci. Zpočátku všichni motýli rodu Kalima, žijící v oblasti Sundalandu, představovali jednu populaci, protože před vzestupem hladiny vody ve středním pleistocénu byla tato oblast součástí pevniny. Zároveň K. incognita и K. inachus chinensisStoupající hladina moří pak způsobila fragmentaci populací izolací jedinců na nově vzniklých ostrovech Borneo, Sumatra a Jáva. Podobně byl Tchaj-wan kdysi spojen s pevninou. Mnoho druhů motýlů tedy pravděpodobně vzniklo v důsledku těchto událostí, ale protože k nim docházelo postupně, tok genů pokračoval po nějakou dobu. S ohledem na doby ledové vědci odhadli pravděpodobné prostředí motýlů v různých obdobích pomocí modelu strojového učení založeného na 19 standardních bioklimatických parametrech v programu Maxent. Ten určuje, který parametr je pro daný druh nejdůležitější, a na jeho základě provádí predikci. Výsledek modelování podporuje hypotézu, že Himálaj byl během meziledových období vhodným prostředím pro motýly. Kromě toho se během poslední doby ledové ostrovy měly znovu objevit jako součást pevniny, což zajistilo sekundární kontakt mezi oddělenými druhy a poddruhy.

Genetický základ zbarvení

Studie polymorfismu ventrálního zbarvení byla provedena na poddruhu K. i. chinensisPro charakterizaci a systematizaci fenotypů vědci provedli sérii křížení motýlů s různými vzory. Výsledkem bylo, že motýlí křídla byla rozdělena do 10 jasně rozlišitelných forem (Obr. 3), které vznikají interakcí 5 alel: P – jednoduchá, V – žilnatá, S – smíšená, R – strakatá, M – plesnivá.

Obr. 3. Rozmanitost fenotypů K. inachus chinensis .

Aby se nalezl lokus listové mimikry, byly sekvenovány genomy 78 motýlů a byla provedena celogenomová asociační studie (GWAS) pro porovnání různých forem. Rozdíl ve fenotypu jasně koreloval s jedním lokusem na chromozomu 26. Zároveň si vědci všimli, že gen kůra, o kterém je známo, že řídí zbarvení křídel a těla bource morušového, se podílí na expresi Batesovy mimikry u motýlů rodu Heliconius (jedlé druhy napodobují jedovaté druhy), zajišťuje průmyslový melanismus u můr pepřovitých a sezónnost zbarvení u motýlů Junonia coeniaGen tedy kůra je důležitý pro morfogenezi křídel a evoluční změna v tomto genu obvykle koreluje se změnami zbarvení.

Ve skutečnosti alely P, V, S, R a M představují několik alel zděděných společně na jednom lokusu, tj. haplotypu. Protože haplotyp následuje po genu kůra, byl označen stejným názvem. Vědci se rozhodli zjistit mechanismus vázané dědičnosti, který omezuje rekombinaci v haplotypu kůraa provedli de novo sestavení genomů K. i. chinensis s různými fenotypy. Haplotyp motýlů byl stanoven sekvenováním DNA z tkáně nohou pomocí Sangerovy metody. Pro tento účel vědci zvolili sadu HiPure Insect DNA Kit.

Ukázalo se, že haplotypy V a R mají v těchto oblastech inverze, které normálně potlačují crossing-over, jeden z typů rekombinace. Inverze navíc ovlivňují gen kůra: v případě V sdílejí gen s jeho distálním promotorem a několik sousedních genů, které se podle údajů z jiných prací podílejí také na zbarvení motýlů2. Fylogenetická analýza haplotypů ukázala, že V a M, stejně jako R a S, se shlukují dohromady, což naznačuje rekombinaci mezi nimi. Inverze jsou tedy nepřesvědčivou příčinou tvorby haplotypů.

Analýza četnosti synonymních a nesynonymních substitucí v genu kůra ukázaly pozitivní selekci druhého z nich, takže vědci pokračovali ve svém hledání jiným směrem. Analyzovali vrstvení chromatinu (Hi-C) v haplotypové oblasti, ale neidentifikovali topologicky asociovanou doménu. Autoři článku proto dospěli k závěru, že na represi se podílejí retrotranspozony, protože se ukázalo, že jejich počet se zvyšuje podél okrajů zřídka rekombinujících oblastí a vědci v tom vidí korelaci. Mechanismus takové represe však není jasný.

Pro potvrzení klíčové role genu kůra Při tvorbě zbarvení vědci použili systém CRISPR-Cas9 (více o systému editace genomu CRISPR/Cas si můžete přečíst v našem článku). Výsledné mozaikové mutanty byly pro gen knockouty. kůraZtráta funkce tohoto genu v určitých oblastech těla vedla k poruchám pigmentace – vzor se stal rozmazaným a tmavším. Genotypizace mozaikových mutantů pomocí PCR vyžadovala extrakci DNA z jednotlivých křídel, což umožnila sada TransDirect Animal Tissue PCR Kit.

Aby vědci pochopili vývoj vzorů křídel během ontogeneze, studovali genovou expresi. kůra pomocí PCR v reálném čase s reverzní transkripcí a sekvenované RNA motýlů s genotypy VP a PP v různých fázích vývoje: před kuklou, 1 a 2 dny po zakuklení, a také housenky 5. instaru, protože právě v této fázi začíná aktivní exprese genů spojených s tvorbou vzoru na křídlech.

U zakuklených motýlů je úroveň exprese VP kůra vyšší než PP a zůstává tak několik dní. Kromě toho in situ hybridizace (ISH) se sondami k kůra ve stádiu housenky 5. instaru se ukázalo, že kůra je vyjádřen podél budoucího okraje křídel.

Porovnání expresního vzoru u motýlů s genotypy VP a PP v různých fázích vývoje odhalilo gen had, což zvyšuje expresi ve VP po zakuklení. Gen třást — známý regulátor vývoje barev u čeledi vlaštovičníků (Motýli). Vzhledem k přítomnosti korelace s výrazem kůraVědci se domnívají, že je dalším účastníkem procesu vývoje křídla.

Vývoj barevného polymorfismu

Polymorfismus zbarvení křídel se objevil ještě před rozdělením rodu Kalima a je u studovaného druhu identický. Soudě dle shromážděných dat se evolučně haplotypy M a S jako první odchýlily od předkové formy – haplotypu P, poté inverze v nich vedly k výskytu haplotypů V a R. Existence předkových i dceřiných forem naznačuje, že po celou dobu existence rodu nedošlo k vymizení jedné varianty ve prospěch konsolidace jiné.

Porovnání různých populačních modelů a skutečné frekvence alel ukázalo největší podobnost s negativním frekvenčně závislým výběrem. Jinak se to dá nazvat vyrovnávacím výběrem, tj. výběrem, který upřednostňuje rozmanitost forem. Vědci se domnívají, že biologická role tohoto efektu spočívá ve schopnosti každého haplotypu zlepšovat mimikry nezávisle na ostatních, čímž se zvyšuje zdatnost heterozygotů. Tuto hypotézu podporuje skutečnost, že haplotypy R a M se nevyskytují v homozygotním stavu. Kromě přítomnosti několika forem pravděpodobně existuje další mechanismus, který zvyšuje rozmanitost barev – velikost intronů. kůra liší se více než blízké geny, což může naznačovat přítomnost alternativního sestřihu.

Vědci se domnívají, že jedním z hlavních výsledků jejich práce byl objev dalšího příkladu negativního frekvenčně závislého výběru, kterých je dnes málo a vyžadují dlouhodobé studium. Práci lze navíc považovat za příklad pečlivě provedené makro- a mikroevoluční analýzy a je zajímavá z hlediska metodiky. Vědci použili nejmodernější vědecké přístupy, které vzájemně kombinovali, a pečlivě přistupovali k přípravě vzorků.

Svět motýlů je mnohostranný a krásný, stejně jako samotní tito tvorové. Zbarvení křídel může být tak jedinečné a půvabné, že mnoho umělců bude závidět bohatství barev a složitost vzorů. Motýli jsou zajímaví pro děti i dospělé, pokusíme se zaměřit na nejoblíbenější otázky k tomuto tématu.

Transformační proces

Mnoho lidí se zajímá o otázku: během jaké doby se z housenky vylíhne motýl? Za zmínku stojí, že housenkový stav je raná fáze života hmyzu. Larva se živí listy, roste a po dosažení požadované velikosti „odhodí“ kokon. V závislosti na třídě, do které hmyz patří, může proces přechodu ze stádia housenky do stádia motýla trvat několik týdnů nebo několik měsíců. Vzácné druhy se rodí do 2 let.

Kokon, ve kterém žije budoucí motýl, je na dotek poměrně tvrdý. Stává se takovým v důsledku chemických procesů, které probíhají s povrchem larvy během jejího života. Většina vnitřních změn je spojena s hormonálními reakcemi v larvě. Každá fáze růstu hmyzu je charakterizována svými vlastními vnitřními procesy.

Okamžik zrození motýla je nádherný. Změklý kokon postupně uvolňuje motýla – výtvor nadpozemské krásy a půvabu. S každým závanem větru jeho křídla schnou, dokud se zcela nenarovnají pro první skok-let.

Vlastnosti existence

Jak dlouho žijí motýli? Při zodpovězení této otázky je nutné shrnout délku všech vývojových fází od ukládání larev až po úplné ukončení existence. Hlavní fáze životního cyklu motýla:

1. Vejce. Tato fáze trvá v průměru 4 dny;
2. Housenka. Doba pobytu v této fázi přímo souvisí s objemem nahromaděného tuku a trvá převážně 1,5 týdne;
3. Kukla. Životnost v kokonu je přibližně 1 týden.

Finále cyklu je apoteóza, kdy se zrodí tento létající ideál krásy a půvabu. Většina druhů žije 2–2,5 týdne. A během této doby musí dospělý motýl naklást potomstvo. Za zmínku stojí, že samice žijí déle než samci.

Délku života ovlivňuje mnoho faktorů, z nichž hlavní jsou:

• klimatické prvky v oblasti bydlení;
• druhy motýlů;
• zbarvení křídel.

Nejkrásnější motýli samozřejmě žijí v jižních zeměpisných šířkách, kde jsou obklopeni vzpourou barev štědré přírody. Existují však severní druhy motýlů, které mohou zůstat v larválním stádiu mnoho měsíců – dokud nenahromadí živiny pro přechod do dalšího životního cyklu vývoje. Jejich zrání je jakoby “konzervované” až do nástupu teplých měsíců.

Motýl žije doma 7 až 15 dní, v závislosti na podmínkách chovu (kvalita krmení, teplota a vlhkost vzduchu, další parametry). Pro prodloužení života okřídlených krás je nutné v místnosti zajistit kvalitní osvětlení. Květinový nektar lze nahradit vodou oslazenou medem. Motýl, který necítí hrozbu zvenčí, bude třepotat a potěší lidské oko.

V přírodě existují motýli monarchové, kteří létají z Ameriky a Kanady do Mexika na zimní měsíce. A to není ani více, ani méně než 4,8 tisíce km. Motýli nepotřebují hnízda, ale larvy housenek se pevně drží listí a trávy pomocí speciální lepkavé látky.

V roce 2009 provedla NASA experiment s vypuštěním kolonie housenek na oběžnou dráhu. Myšlenka rozmnožování motýlů v nízkých gravitačních podmínkách byla zajímavá. Studie skončila úspěšně, všichni motýli se vylíhli ze svých kokonů.

Co jedí motýli?

Motýli se živí květovým nektarem a výživnou rostlinnou tekutinou, kterou nasávají úzkou trubicí podobnou brčku. Tento orgán má schopnost se kroutit a rozmotávat, což v případě potřeby usnadňuje přístup do středu květu. Při nedostatku nektaru mohou motýli pít vodu z mokré trávy, ze země atd. Motýli mají chuťové pohárky na nohou, sosáku, tykadlech a křídlech. Hmyz nikdy nepije hořkou rostlinnou šťávu, dokáže rozlišit příjemné chutě – tato schopnost jim brání v konzumaci toxických tekutin. Za zmínku stojí, že některé druhy motýlů během svého života vůbec nejedí – živí se zásobami, které housenka nashromáždila během svého vývoje.

Stejná užitečná schopnost používat nohy k identifikaci vhodných rostlin pomáhá motýlům klást vajíčka pouze na silné a zdravé listy. V podstatě jim hmat pomáhá udržet naživu sebe i své budoucí potomstvo.

Motýlí oči

Motýli létají pouze ve dne, v noci sklopí hlavu a usínají. Mnoho vědců však o samotném usínání pochybuje, takové chování považují jednoduše za noční odpočinek. I se složenými křídly zůstávají motýli ostražití, protože draví ptáci a další nepřátelé se mohou objevit kdykoli.

Hmyz má dvě oči, jejichž struktura je jedinečná. Každé motýlí oko se skládá z tisíců mikroskopických čoček se světlocitlivými buňkami. Takový ostrý zrak jim umožňuje ovládat celý okolní prostor, přesně určovat přiblížení nepřítele nebo ukazovat na velmi atraktivní květinu – letový orientační bod.

Neuvěřitelné barevné vidění motýlů je předmětem četných studií vědců. Například v roce 2016 byly publikovány závěry, že každé korálkovité oko hmyzu je tvořeno 15 sadami fotoreceptorů. I drobné změny světelných toků jsou těmito receptory registrovány během zlomku sekundy. Přecitlivělost na barevnou paletu pomáhá odplašit ostatní motýly. Profesor Dokele Stavenga (Univerzita v Groningenu) si je jistý, že motýli přijímají přes tisíc čoček tolik světla, kolik lidské oko přijímá přes jednu velkou čočku.

Úžasnou vlastností motýlů je jejich schopnost korigovat zrak – kombinace světlocitlivých mikrobuněk zesiluje vnímání specifické části světelného spektra. Proto jejich korálkové oči tak silně září, odraz lomených paprsků může tento lesk z vědeckého hlediska vysvětlit. Podle D. Stavenga inspiroval vědce přirozený mechanismus optického rozpoznávání barev a světelných toků ke zdokonalení LED systémů a zařízení.

motýlí křídla

Motýli mají 4 křídla – 2 přední a 2 zadní. To jim usnadňuje manévrování při prudké změně letové dráhy. Mnoho druhů hmyzu se dovedně maskuje za kůru nebo listí stromů a ve správný okamžik skládá křídla. Pigmentace tenkých křídel je jedinečná, skládá se z milionů mikroskopických šupin, které tvoří vzory a barvu. Optické vícevrstvé odrazy jsou základem pro strukturální zbarvení křídel v té či oné barvě.

Například sklenění motýli takovou strukturu nemají a neodrážejí světlo, takže jejich křídla jsou průhledná. Výzkumný projekt z roku 2015 odhalil tajemství absence struktury, která by odrážela světlo u této skupiny hmyzu. Faktem je, že šupiny jsou prezentovány ve sloupcích s náhodnou výškou. Výzkumná data pomáhají vývojářům nových gadgetů; otevřený odraz světla tvoří základ pro vytváření nových displejů chytrých telefonů.

Několik dalších funkcí

Motýli milují teplý vzduch, za chladného podzimního dne je nepotkáte. Mechanismus letu motýlů je zajímavý. Vědci ze Švédska dokázali, že hmyz pohybuje křídly nikoli během pohybu, ale před vzletem do vzduchu. Zdá se, že vytvářejí koridor vzduchového vakua a tam stoupají.

Krása motýlů je v Evropě oblíbená a ve východních zemích se motýli konzumují. Hmotnost mnoha druhů hmyzu přitom nepřesahuje hmotnost dvou okvětních lístků růží. S motýly je spojeno mnoho znamení a pověr. Například Japonci věří v nástup šťastného období, když ve svém domě najdou létající krásku. A na svatbách v Japonsku je pár papírových motýlů povinným atributem oslavy, který by měl novomanželům zajistit dlouhý společný život.

Ne všichni motýli jsou neškodní. Například Calyptra eustrigata jsou predátoři, kteří propichují kůži zvířat tenkými sosáky, aby sbírali krev. Žijí v oblastech od Malajsie po Indii. Ale z větší části jsou motýli květiny trhané větrem. Tak je nazývali staří Římané. Buddhisté tyto motýly ctí, protože právě jim Buddha adresoval své kázání.