Ученые впервые изменили форму крыльев мотылька

Фото из открытых источников

Ученые изменили форму и рисунок крыльев бабочек, показав, как мельчайшие изменения в процессе роста могут объяснить невероятные природные узоры. Результаты исследования были опубликованы в журнале Evolution & Development.

Светло-зеленые крылья лунной бабочки заканчиваются двумя длинными, свисающими хвостами. Ученые обнаружили способ изменить их форму, заставляя эти хвосты расти шире с помощью инъекции во время развития.

Биологи используют два таких соединения уже около 20 лет для изменения рисунка на крыльях бабочек и мотыльков. Они могли увеличивать или уменьшать пятна и расширять полосы, но эти эксперименты никогда не меняли контуры крыла.

В ходе эксперимента впервые были получены доказательства того, что ученые могут изменять форму крыльев бабочки или мотылька с помощью этих соединений. Полученные данные позволяют изучать, как крылья приобретают свою форму и как эта форма влияет на полет.

Исследование проводил Андрей Сураков, специалист по бабочкам и мотылькам из Флоридского музея естественной истории. Сураков изучал выращенных в лаборатории лунных бабочек и их крупных бурых родственников, бабочек-полифемусов, принадлежащих к семейству гигантских шелкопрядов.

В процессе развития крыла внутри куколки клетки обмениваются химическими сигналами. Эти сигналы помогают определить, какой будет каждая часть крыла, включая цвет чешуек. Один из сигналов исходит от белка, называемого wingless. Исследования на плодовых мушках показывают, что покрытые сахаром молекулы на поверхности клеток помогают этому белку распространяться по растущему крылу.

Соединения, использованные Сураковым, влияют на этот сигнальный путь противоположным образом. Гепарин, цепочка сахаров, полученная из свиней, укрепляет её, тогда как декстрансульфат, аналогичная цепочка, вырабатываемая бактериями, скорее всего, ослабляет её.

Сураков уже использовал гепарин для изучения рисунка на крыльях бабочек-полифемусов и бабочек-атала. На этот раз он добавил к исследованию бабочек-луна, которые обитают на большей части территории Соединенных Штатов.

Бабочки вылупились из яиц, отложенных дикими самками, пойманными в Гейнсвилле, штат Флорида. Сураков кормил гусениц лунной бабочки листьями ликвидамбара, а гусениц полифемуса — листьями водяного дуба, меняя наполненные водой емкости со срезанными ветками каждые три дня.

Через два-три дня после того, как каждая гусеница сплетала свой кокон, он вскрывал его, чтобы наблюдать за превращением в куколку. Он делал инъекции за девять часов до этого превращения и в течение девяти часов после него.

Он корректировал каждую дозу в зависимости от веса куколки. Некоторым детенышам вводили только воду или раствор лабораторной соли, в то время как многие другие не получали никаких инъекций.

Когда из крыльев вылупились взрослые бабочки, он сфотографировал их и измерил ширину хвоста каждой бабочки у основания, там, где край крыла загибается вниз. Затем он разделил это измерение на длину переднего крыла, чтобы справедливо сравнивать бабочек разных размеров.

Сураков смог измерить 237 лунных бабочек, у которых крылья раскрылись достаточно полно. Из них 94 получили гепарин, 28 — жидкий препарат без этого соединения, а 115 не получили никаких инъекций.

У самцов, получавших гепарин, основание хвоста обычно составляло примерно четверть ширины переднего крыла. У самцов, которым вводили обычную жидкость, этот показатель составлял примерно пятую часть.

У самок наблюдались аналогичные изменения: хвосты стали шире относительно их размера. Бабочки, которым не вводили инъекцию, по форме и цвету крыльев напоминали тех, которым вводили только жидкость.

«Я продолжал попытки, и в конце концов мне удалось добиться одной-единственной трансформации. Но дело было не в рисунке крыльев, а в их форме. Этот единственный экземпляр был настолько необычным, что я не мог его игнорировать», — сказал Сураков.

Гепарин практически не оказал влияния на одну группу братьев, у которых и без того были необычно широкие хвосты. Ни у одного из обработанных самцов хвост не вырос более чем на 10% шире, чем у самца с самым широким хвостом в контрольной группе.

Сураков считает, что это указывает на верхний предел ширины хвоста. По его мнению, как только моль естественным образом приближается к этому пределу, дальнейшее расширение хвоста с помощью гепарина может потребовать дозы, которая её убьёт.

Сульфат декстрана оказал противоположный эффект на 83 особи лунных бабочек, сделав их крылья немного меньше, а хвосты уже. Это также уменьшило их отметины, включая бордовую кайму, серую волнистую линию внутри неё и узоры вокруг глазных пятен.

У одной самки наблюдалось заметное изменение жилкования крыла. На правом переднем крыле щель между двумя соседними жилками сузилась, а на левом те же жилки соприкоснулись и срослись. Оба изменения произошли в месте соединения передней и задней половин крыла, на границе, через которую клетки у плодовых мушек общаются менее активно.

Сураков предположил, что на формирование двух половин могут влиять разные генетические механизмы, что, возможно, объясняет, почему произошло именно это уменьшение. У некоторых обработанных бабочек рода Polyphemus также немного заострились кончики передних крыльев. У нескольких близких родственников такая более острая форма крыльев есть от природы.

Глазчатые пятна у лунной моли могут напоминать отверстия в листе, что потенциально помогает ей сливаться с окружающей средой. Гепарин вызвал изменения средней и сильной степени в окраске крыльев у 89 бабочек-лунарок.

Эти бабочки получали в среднем около одной части гепарина на каждые 2000 частей куколки по весу. Изменения проявлялись только после того, как доза превышала определенный порог.

После достижения этого порога увеличение дозы гепарина не всегда приводило к более значительным изменениям. Точное время инъекции в течение 18-часового окна не оказывало существенного влияния на эту закономерность.

Бабочки рода Polyphemus отличаются другим внешним видом: на задних крыльях у них крупные глазки, напоминающие глаза более крупных животных. На передних крыльях глазки обычно маленькие и их легко не заметить.

Высокие дозы гепарина превратили эти маленькие пятна полифемуса на передних крыльях в похожие на крупные глазчатые пятна на задних крыльях. Сульфат декстрана сузил размер глазковых пятен с примерно 18% от длины переднего крыла у бабочек, не получавших это соединение, до примерно 15% у обработанных бабочек.

«Меня поражает, и это то, что я узнал из этого исследования, — насколько легко эти характеристики переходят из одного состояния в другое», — сказал Сураков. «Они делают это без каких-либо серьезных изобретений, просто расширяя или сужая существующие элементы до такой степени, что глазные пятна выглядят совершенно по-другому».

Несмотря на внешнее сходство, эти глазчатые пятна у мотыльков не имеют общего происхождения с глазчатыми пятнами у многих известных бабочек. Два типа пятен развивались независимо и образуются в разных частях крыла.

Согласно более ранним экспериментам, хвосты мотыльков Luna помогают перенаправлять атаки летучих мышей. Следовательно, хищники, вероятно, оказывают сильное давление на эволюцию этих хвостов. Учёные мало знают о том, как вообще растут хвосты. Одна из подсказок содержится в исследовании бабочек-парусников, проведённом в 2010 году.

Исследователи обнаружили два гена, cut и wingless, которые активны в развивающихся крыльях гусениц именно в тех местах, где впоследствии формируются хвосты. Остается неизвестным, формируют ли лунные мотыльки свои хвосты таким же образом.

Сураков предполагает, что белок wingless неактивен у большинства бабочек и мотыльков на той стадии развития, когда исследователи вводят им гепарин, что может объяснить, почему форма их крыльев редко меняется.

«Это всего лишь мое предположение, но я считаю его весьма правдоподобным», — сказал он.

Гепарин также может влиять на другие сигналы роста, которые воздействуют на размер крыла. Чтобы выяснить, что вызывает эти изменения, Сураков предложил повторять инъекции, отслеживая при этом, какие гены активируются в развивающихся крыльях.

На данный момент результаты касаются только двух видов, выращенных в лаборатории. В будущих экспериментах можно будет проверить, как более широкие или узкие хвосты влияют на способность летать лунных мотыльков. Демонстрируя возможность изменения формы крыла развивающейся бабочки, эксперимент открывает новый путь к пониманию эволюции этих хрупких структур.

Исследование подчеркивает, как небольшие изменения в процессе развития могут приводить к поразительным различиям в природе. Образцы для исследования хранятся в Центре чешуекрылых и биоразнообразия им. Макгуайра , где исследователи могут их изучать.