За повечето от нас преминаването към вегетарианска диета може да е въпрос на новогодишна резолюция и доста голяма сила на волята, но за цял вид това е много по-сложен процес: толкова сложен, че еволюционните биолози са имали трудности разбирайки го дълго време.
Изследователи от университета в Аризона (Тусон, САЩ) хвърлиха поглед зад завесата на еволюцията, за да разберат какво се случва, когато вид насекомо драстично промени начина си на живот. Откритите от тях процеси включват невиждано досега ремоделиране на гени, поведение и диета. Резултатите, публикувани в Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), вероятно ще ви накарат да се замислите върху еволюционните въпроси следващия път, когато откриете плодова муха, плаваща във винената ви чаша.
Растителноядните видове насекоми представляват половината от всички известни видове насекоми, но преминаването от нерастителна към тревопасна диета се е случило само в една трета от живите насекоми. Това несъответствие озадачава биолозите отдавна.
„Това предполага, че преходът към растителноядната диета се е случвал рядко, но когато се е случило, се е оказал голям импулс за видообразуване, причинявайки еволюция на непропорционален брой видове в тази група“, обяснява в университета Бенджамин Голдман информация - Huertas, изследовател в Катедрата по екология и еволюционна биология на UA и основен автор на статията.
Един от възможните отговори е, че растенията са много трудни за колонизация, казва Ноа Уайтман, асистент по екология и еволюционна биология и съавтор на изследването. За да се предпазят от хищници, растенията са разработили арсенал от защитни сили, като тръни, здрава външна „кожа“ или съединения, които правят тъканите им несмилаеми, неприятни или дори фатално токсични за насекоми, които се опитват да се хранят с тях.
„Повечето насекоми, които ядат растения, са паразити“, обяснява Уайтман. Те не са като слонове, които обикалят савана и скубят листа тук-там. Насекомите са разработили начини за преодоляване на тази защита, но с цената да станат високоспециализирани. Много видове тревопасни насекоми са силно специализирани до такава степен, че животните са склонни да прекарват целия си жизнен цикъл върху растенията-гостоприемници.
„Преминаването от хранене с микроби, разлагащо се месо или други насекоми към фокусиране върху растенията изисква насекомите да намерят начин да се приближат до растенията, да снасят яйцата си и да запазят ларвите си живи в тях. Искахме да проверим хипотезата, че този преход изисква драстични промени в поведението, които от своя страна изискват ремоделиране на генетичните и неврологични процеси, лежащи в основата на това поведение ».
За да намерят отговори, авторите са изследвали вида муха Scaptomyza flava, близък роднина на плодовата муха, Drosophila melanogaster. За разлика от братовчедите си, които често се виждат да витаят в търсене на остарели плодове, мухите Scaptomyza не чакат толкова.
Женските ловуват здрави растения от семейството на горчицата, пробиват малки дупки в листата им, пият растителния сок, който се просмуква през тях, и снасят яйцата си върху листата. След излюпването си ларвите дъвчат пътя си през листата, правейки малки тунели, докато вървят, а понякога дори убиват растението.
За да проучи по-подробно мухите, Goldman-Huertas си сътрудничи с изследователи от групата на Джон Хилдебранд от Департамента по неврология на UA, което им позволи да измерват електрическите реакции, генерирани в антените на насекомите от техните обонятелни рецептори, чрез въвеждане на различни аромати на животни.
"Това е като да получавате записи за популацията от рецепторни клетки от носа", обяснява Хилдебранд. „Търсим електрически сигнали, които показват, че рецепторните клетки в антените са разпознали и реагирали на определен миризлив стимул. Ако не виждаме сигнал, това означава, че антената не реагира на това съединение. "
Тези неврологични тестове, съчетани с поведенчески наблюдения, разкриха, че миризмата на мая, която процъфтява върху изгнилите плодове и е страхотен атрактант за дрозофила, оставя мухите на Скаптомиза студени. Напротив, „той е много чувствителен към съединението, отговорно за миризмата на прясно окосена трева, което е често срещано при растенията с листа“, казва Уайтман.
Голдман-Хуертас предположи, че обонятелните гени, които участват в подушаването на дрожди, не трябва да са вече в Скаптомиза и наистина не са могли да намерят много от тях в нито една от популациите, които са анализирали.
Според Whiteman предпочитанието на мухите към съединения, свързани с дрожди и алкохолна ферментация, се счита за по-древно състояние от предпочитанията на Scaptomyza към пресните растения. „Видовете плодови мухи, които се носят във вашата чаша за вино, всъщност представляват 100 милиона години еволюция, тъй като сензорните механизми са запазени при видове, които са привлечени от виното“, добавя той.
Генетична основа
За да изследват генетичните основи на хранителните предпочитания на мухите, изследователите се възползваха от близкото родство на Скаптомиза с D. melanogaster, чиято обонятелна система е най-изследвана от всички животни.
„Скаптомиза е много полезен модел за изследване на генетични основи, защото, от една страна, тя е тясно свързана с D. melanogaster, но от друга страна, еволюционно се е разминала“, подчертава Уайтман. „При тези мухи растителноядната еволюира най-много през последните 20 милиона години. Промените са достатъчно скорошни, за да можем да ги открием и сравним с техните нерастивоядни сестрински видове, като D. melanogaster «.
„Но загубата на поведение не ви кара да преминете към нови начини на хранене, така че те също трябваше да придобият ново поведение“, уточнява той.
Всъщност екипът откри група обонятелни рецепторни гени, претърпели непропорционално много промени в последователността. "Това предполага, че еволюцията на Дарвин е променила функцията на тези гени", казва Уайтман.
„Разбирането как могат да се осъществят тези екологични промени може да има огромни икономически и здравни последици“, казва Голдман-Хуертас. "Scaptomyza flava е нововъзникващ вредител, който засяга рапицата в Европа и горчичните растения в Нова Зеландия".
Или погледнете комарите Anopheles, които пренасят маларията. Как започнаха да се хранят с хората? Или в картофения бръмбар, който първоначално се е хранил с други растения от семейството. Как се получи тази промяна? Как насекомите взимат решенията влияят върху живота, здравето и благосъстоянието на хората ».
Библиографска справка:
Бенджамин Голдман-Хуертас, Робърт Ф. Мичъл, Ричард Т. Лапойнт, Сесил П. Фошер, Джон Г. Хилдебранд, Ноа К. Уайтман. Еволюция на тревопасните животни при Drosophilidae, свързана със загуба на поведение, антенни реакции, одорантни рецептори и диета на предците. Известия на Националната академия на науките (2015). DOI: 10.1073/pnas.1424656112