Тот факт, что миллионы североамериканских бабочек-монархов пролетают тысячи миль каждую осень и каким-то образом из года в год находят одни и те же места зимовки в центральных мексиканских лесах и вдоль побережья Калифорнии, просто сногсшибателен.
Попав туда, монархи проводят несколько месяцев в состоянии диапаузы, гормонально контролируемого состояния покоя, помогающего выжить зимой. Хотя диапауза не так впечатляет, как знаменитые ежегодные миграции, она таит в себе загадки, которые ставят в тупик ученых, изучающих биологическое время.
Недели до повышения температуры и более длинные дни сигнализируют монархам, что пора спариваться и начинать весеннюю миграцию на север, внутренний таймер срабатывает, как будильник, чтобы разбудить насекомых, сообщая им, что пришло время прекратить диапаузу и подготовиться. для важных предстоящих событий.
Исследования на других организмах показали, что низкие температуры могут влиять на таймер прекращения диапаузы, и биолог из Мичиганского университета Д. Андре Грин подозревает, что то же самое верно и для монархов. Его исследование в местах зимовки монархов в центральной Калифорнии подтвердило это, а анализ экспрессии генов помогает объяснить, как холодная температура ускоряет этот внутренний таймер.
Эти результаты особенно интересны, потому что они касаются парадоксального результата: как низкая температура, которая обычно замедляет метаболизм и развитие организма, ускоряет диапаузу? Эта работа является одной из первых, в которой рассматривается этот вопрос. », - сказал Грин, научный сотрудник при президенте факультета экологии и эволюционной биологии Университета штата Массачусетс, который начал работу в Чикагском университете.
Выводы имеют важные последствия для монархов Северной Америки, чья популяция неуклонно сокращалась в течение десятилетий в местах зимовки - по мере изменения климата, Грин и соавтор Маркус Кронфорст из Чикагского университета написали в исследовании молекулярной экологии. публикация запланирована на 24 июля.
Понимание того, как экологические и антропогенные факторы влияют на динамику диапаузы в местах их зимовки, может иметь решающее значение для понимания сокращения популяции североамериканских монархов и руководства будущими усилиями по сохранению. население западных североамериканских монархов в 2018 году», - написали Грин и Кронфорст.
Выводы также предполагают, что монархи будут выступать в качестве важных видов-дозорных для наблюдения за изменениями окружающей среды и нарушениями в местах зимовки. Если диапауза заканчивается слишком рано, монархи могут потерять часть защитного времени, которое обеспечивает период покоя.
Исследование Грина включало отлов самок бабочек-монархов в местах зимовки в центральной Калифорнии в ноябре 2015 года, после того как они вошли в диапаузу. Живых насекомых вернули в чикагскую лабораторию.
В климатической камере бабочки подвергались воздействию температур и продолжительности дня, приблизительно равных ноябрю в центральной Калифорнии: 10 часов света при 63 градусах по Фаренгейту, а затем 14 часов в темноте при 50 градусах.
В декабре и снова в январе команда Грина вернулась в те же места зимовки, отловила вживую дополнительных самок-монархов и отправила их в лабораторию. В дикой природе пойманные зимой бабочки также имели короткие дни, а ночные температуры опускались ниже 50 градусов.
Грин затем сравнил репродуктивную зрелость разных групп, подсчитав количество яиц у каждой самки. Обилие зрелых яиц указывает на то, что самка вышла из диапаузы, а малое количество зрелых яиц указывает на то, что она все еще находится в диапаузе.
«Монархи, собранные в дикой природе в декабре, показали ускоренное репродуктивное развитие по сравнению с монархами, которые находились в лаборатории с ноября», - сказал Грин. «Это указывало на то, что условия окружающей среды в дикой природе - низкая температура - ускорили таймер».
В рамках того же исследования Грин также проанализировала экспрессию генов в различных группах монархов, чтобы понять, как работает внутренний таймер. Результаты показывают, что временные метки на гистонах - белках, вокруг которых обвивается ДНК и которые контролируют экспрессию генов, - могут действовать как механизм синхронизации.
Результаты также показывают, что передача сигналов кальция в голове бабочки является ключевой, потенциально связывая накопление криопротекторов в холодную погоду с внутренним таймером.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Службой рыболовства и дикой природы США и Национальным институтом здравоохранения. Дикие монархи были собраны на частной территории недалеко от Писмо-Бич, штат Калифорния, с разрешения землевладельцев.
Грин в настоящее время работает над отдельным исследованием миграции монархов на исследовательской площадке в Ботаническом саду Маттеи Университета Мексики.