Ученые из Национального университета Сингапура раскопали любопытную вещь. Оказывается, у тропических бабочек есть простой участок ДНК, который работает как выключатель. Он помогает насекомым менять размер круглых пятен на крыльях — глазчатых узоров — в зависимости от температуры в сезон. Это открытие проливает свет на то, как у живых существ вообще развивается способность подстраиваться под окружающую среду. А в будущем, возможно, такие знания помогут понять, как помочь разным видам приспособиться к меняющемуся климату.

Насекомые частенько удивляют своими приспособлениями. Некоторые даже окраску меняют по сезонам. Ученые называют такую сезонную гибкость пластичностью. Она здорово помогает выживать. Но как и когда эта способность возникла в ходе эволюции — долгое время оставалось загадкой.

Команда под руководством профессора Антонии Монтейро из кафедры биологических наук того же университета нашла конкретный кусочек ДНК, который позволяет определенным бабочкам переключать рисунок на крыльях между влажным и сухим сезонами. Результаты исследования вышли в журнале Nature Ecology & Evolution.

Профессор Монтейро рассказывает:

Многие тропические бабочки выглядят совершенно по-разному в зависимости от того, родились они в сухой сезон или во влажный. Африканская бабочка Bicyclus anynana (на фото), с которой мы работаем, — один из таких примеров.

Во влажный сезон у этих бабочек на крыльях вырастают крупные глазчатые пятна. А в сухой сезон — мелкие. Такая смена размеров помогает выживать в каждом из этих двух разных окружений. Более ранние работы уже показали, что размер пятен запускает температура, при которой росли гусеницы. И что такая ярко выраженная реакция на тепло встречается только у одной группы бабочек — сатирид. Их легко узнать по коричневым крыльям с характерными глазчатыми пятнами.

В новом исследовании ученые вышли на главный управляющий ген под названием Antennapedia (Антеннапедия, сокращенно Antp). Он как дирижер руководит развитием глазчатых пятен у сатирид. Оказалось, что активность этого гена напрямую зависит от температуры, при которой росли гусеницы. Когда ученые нарушили работу этого гена у двух разных видов сатирид, глазчатые пятна стали меньше — особенно если насекомых растили в тепле. Так подтвердилось, что Antp отвечает за сезонное изменение размера.

Кроме того, исследователи нашли ранее неизвестный ДНК-переключатель — его называют промотором. Такой переключатель есть только у сатирид. Он включает ген Antp именно в центральных клетках глазчатого пятна. Когда этот переключатель сломали, бабочки почти утратили способность менять размер пятен в зависимости от температуры. Значит, именно этот кусочек ДНК подарил сатиридам их сезонную гибкость.

Доктор Тянь Шэнь, который был первым автором статьи и проводил эти опыты еще студентом, а потом научным сотрудником в университете, говорит:

Поразительно, что простой генетический переключатель может стоять за такой сложной способностью подстраиваться под среду у целой группы насекомых. Это открытие открывает дорогу для будущих исследований роли таких переключателей в приспособлении видов. А значит, и для идей, которые помогут сохранять живую природу в меняющемся климате.

Польза исследования видится по меньшей мере в трех направлениях.

Во-первых, для фундаментальной науки: ученые впервые нашли конкретный регуляторный участок ДНК, который управляет сезонной изменчивостью. Раньше многие говорили о пластичности как о свойстве, но мало кто показывал ее эволюционные корни на уровне «одного простого выключателя». Это позволяет двигаться дальше и искать похожие механизмы у других насекомых, птиц и даже растений.

Во-вторых, для экологии и климатических адаптаций: понимая, какие гены и их переключатели отвечают за реакцию на температуру, исследователи смогут предсказывать, у каких видов есть резерв для быстрого приспособления к потеплению. если глобальный климат меняется быстрее, чем обычно, виды с жесткими, негибкими генетическими настройками могут не успеть. А те, у кого есть подобный ДНК-переключатель, — скорее выживут.

В-третьих, для практического сохранения видов: в теории можно будет оценивать «запас прочности» популяций по наличию или состоянию таких переключателей. Например, если у бабочки он поврежден или работает плохо, то при резком изменении температур ей, скорее всего, потребуется помощь — переселение в более подходящие места или особые программы разведения.

И все же есть замечания.

• Первое: работа сделана на двух видах сатирид. Сатириды — довольно узкая группа. Ученые сами пишут, что яркая температурная чувствительность характерна именно для них. А как обстоят дела у других бабочек с глазчатыми пятнами? И у насекомых без пятен? Неизвестно. Получается, что громкое слово «простой переключатель» может оказаться локальным частным случаем, а не универсальным эволюционным механизмом.
• Второе: эксперименты с отключением гена и промотора проводили в лаборатории. В реальной природе на бабочек действует куча других факторов — влажность, доступность корма, хищники, болезни. Не факт, что отключенный переключатель приведет к тем же последствиям в дикой среде. Лабораторные условия всегда беднее природных.
• Третье: авторы называют найденный промотор «простым», но не уточняют, насколько он независим от других участков ДНК. В геноме обычно все переплетено. Возможно, рядом есть другие регуляторные элементы, которые тоже влияют на размер пятен, и без них один этот промотор не сработает. если так, то картина становится сложнее, чем „один переключатель — один признак“.

Ранее ученые назвали полет бабочек эталонным для роботов.