Для більшості з нас перехід на вегетаріанську дієту може бути питанням новорічної постанови та достатньою силою волі, але для цілого виду це набагато складніший процес: настільки складний, що еволюційним біологам було важко розуміючи це довго.
Дослідники з Університету Арізони (Тусон, США) зазирнули за завісу еволюції, щоб з’ясувати, що відбувається, коли вид комах різко змінює свій спосіб життя. Процеси, які вони виявили, включають ніколи не бачене перебудовування генів, поведінки та дієти. Результати, опубліковані в «Трудах Національної академії наук» (PNAS), швидше за все, змусять вас задуматися над еволюційними питаннями, коли наступного разу ви знайдете плодову муху, що плаває у вашій винній склянці.
На рослиноїдні види комах припадає половина всіх відомих видів комах, але перехід від нерастительного до рослиноїдного раціону відбувся лише у третини живих комах. Ця невідповідність здавна здивувала біологів.
"Це означає, що перехід на рослиноїдну дієту траплявся рідко, але коли він все ж відбувся, це виявилося великим імпульсом для видоутворення, що спричинило еволюцію непропорційно великої кількості видів у цій групі", - пояснює він у статті Бенджаміна Голдмана інформація про університет. Гуертас, науковий співробітник кафедри екології та еволюційної біології УА, головний автор статті.
Однією з можливих відповідей є те, що рослини дуже важко колонізувати, говорить Ноа Уайтман, доцент кафедри екології та еволюційної біології та співавтор дослідження. Щоб захиститися від хижаків, рослини розробили арсенал захисних засобів, таких як колючки, жорстка зовнішня «шкіра» або сполуки, які роблять їх тканини незасвоюваними, неприємними або навіть смертельно токсичними для комах, які намагаються ними харчуватися.
"Більшість комах, які харчуються рослинами, є паразитами", - пояснює Уайтмен. Вони не схожі на слонів, що бродять по савані і скубуть листя там і там. Комаги розробили способи подолання цього захисту, але ціною того, щоб стати вузькоспеціалізованими. Багато видів рослиноїдних комах є вузькоспеціалізованими, до того, що тварини, як правило, проводять весь свій життєвий цикл на своїх рослинах-господарях.
«Перехід від харчування мікробами, гнилого м’яса чи інших комах до зосередження уваги на рослинах вимагає від комах знайти спосіб наблизитися до рослин, відкласти яйця та зберегти в них личинки. Ми хотіли перевірити гіпотезу, що цей перехід вимагає кардинальних змін у поведінці, що, в свою чергу, вимагає перебудови генетичних та неврологічних процесів, що лежать в основі цієї поведінки ».
Щоб знайти відповіді, автори вивчали вид мухи Scaptomyza flava, близького родича плодової мухи, Drosophila melanogaster. На відміну від своїх двоюрідних братів, яких часто бачать, що парять у пошуках несвіжих фруктів, мухи скаптомізи не чекають так довго.
Самки полюють на здорові рослини з сімейства гірчичних, свердлять крихітні отвори в їх листі, п'ють рослинний сік, що просочується крізь них, і відкладають яйця на листя. Вилупившись, личинки пережовують собі листя, проробляючи крихітні тунелі, іноді навіть вбиваючи рослину.
Для більш детального вивчення мух Голдман-Уертас співпрацював з дослідниками групи Джона Хільдебранда з Департаменту нейронаук UA, що дозволило їм виміряти електричні реакції, що генеруються в антенах комах їх нюховими рецепторами, шляхом ознайомлення тварин з різними аромати.
"Це все одно, що отримувати записи про популяцію рецепторних клітин з носа", - пояснює Хільдебранд. «Ми шукаємо електричні сигнали, які вказують на те, що рецепторні клітини в антенах розпізнали певний запаховий стимул і реагували на нього. Якщо ми не бачимо сигналу, це означає, що антена не реагує на це з'єднання ".
Ці неврологічні тести в поєднанні з поведінковими спостереженнями показали, що запах дріжджів, який процвітає на гнилих плодах і є чудовим привабливим фактором для дрозофіли, залишає мух Скаптомізи холодними. Навпаки, "він дуже чутливий до сполуки, яка відповідає за запах свіжої скошеної трави, який часто зустрічається у рослин з листям", - каже Уайтмен.
Голдман-Уертас висунув гіпотезу, що нюхові гени, які беруть участь у нюханні дріжджів, ще не повинні знаходитися в Скаптомізі, і насправді вони не змогли знайти багато з них в жодній з аналізованих популяцій.
За словами Уайтмена, перевагу мух сполукам, пов'язаним з дріжджами та алкогольним бродінням, вважають більш родовим станом, ніж перевагу Скаптомизи до свіжих рослин. "Види плодових мух, які плавають у вашому келиху, насправді представляють 100 мільйонів років еволюції, оскільки сенсорні механізми збереглися у видів, які приваблюють вино", - додає він.
Генетична основа
Для вивчення генетичних основ харчових уподобань мух дослідники скористались тісним спорідненням Скаптомизи з D. melanogaster, нюхова система якої є найбільш вивченою з усіх тварин.
"Скаптоміза є дуже корисною моделлю для вивчення генетичних основ, оскільки, з одного боку, вона тісно пов'язана з D. melanogaster, але з іншого боку, вона еволюційно розходилася", - підкреслює Уайтмен. `` У цих мух рослиноїдна рослина розвивалася не більше ніж за останні 20 мільйонів років. Зміни відбулися досить недавно, і ми змогли їх виявити та порівняти з їх нетравоїдними сестринськими видами, такими як D. melanogaster «.
"Але втрата поведінки не змушує вас переходити на нові способи харчування, тому їм також довелося придбати нову поведінку", - уточнює він.
Насправді команда виявила групу генів нюхових рецепторів, які зазнали непропорційно великої кількості змін послідовностей. "Це говорить про те, що дарвінівська еволюція змінила функцію цих генів", - каже Уайтмен.
"Розуміння того, як можуть відбуватися ці екологічні зміни, може мати величезні економічні наслідки та наслідки для здоров'я", - говорить Гольдман-Уертас. "Scaptomyza flava - це шкідник, що зароджується, який вражає ріпак в Європі та рослини гірчиці в Новій Зеландії".
Або подивіться на комарів Anopheles, які передають малярію. Як вони почали харчуватися людиною? Або в картопляному жуку, який спочатку харчувався іншими рослинами в родині. Як відбулася ця зміна? Як комахи приймають рішення, впливає на життя людей, здоров’я та добробут ».
Бібліографічна довідка:
Бенджамін Голдман-Уертас, Роберт Ф. Мітчелл, Річард Т. Лапойнт, Сесіль П. Фошер, Джон Г. Хільдебранд, Ноа К. Уайтмен. Еволюція рослиноїдної рослини у дрозофілід пов’язана із втратою поведінки, антенальними реакціями, одорантними рецепторами та раціоном. Праці Національної академії наук (2015). DOI: 10.1073/pnas.1424656112