Каждый год миллионы бабочек-монархов мигрируют через восточную часть Северной Америки, чтобы улететь от дальнего севера до американо-канадской границы и перезимовать в центральной Мексике, покрывая целых 3000 миль. Между тем, по другую сторону Скалистых гор западные монархи обычно летают на 300 миль вниз к Тихоокеанскому побережью, чтобы провести зиму в Калифорнии. Долгое время считалось, что восточные и западные монархи были генетически разными популяциями.
Новое исследование, однако, подтверждает, что восточные и западные бабочки летают по-разному, но генетически они одинаковы. Журнал «Молекулярная экология» опубликовал результаты, полученные биологами-эволюционистами из Университета Эмори.
«Это было удивительно», - говорит Яап де Руд, профессор биологии Эмори и старший автор исследования. Его лаборатория - одна из немногих в мире, где изучают бабочек-монархов.
«Можно ожидать, что организмы с разным поведением и экологией проявят некоторые генетические различия», - говорит де Руд. «Но мы обнаружили, что вы не можете генетически различить западных и восточных бабочек».
Настоящая статья основана на предыдущей работе лаборатории де Руда, которая обнаружила сходство между 11 генетическими маркерами восточных и западных монархов, а также на других более ограниченных генетических исследованиях и данных наблюдений и отслеживания.
«Это первое полногеномное сравнение восточных и западных монархов, чтобы попытаться лучше понять их поведенческие различия», - говорит Венкат Талла, первый автор текущего исследования и постдокторант Эмори в лаборатории.
Талла проанализировал более 20 миллионов мутаций ДНК в геномах 43 монархов и не нашел доказательств геномной дифференциации между восточными и западными монархами. Вместо этого он обнаружил одинаковые уровни генетического разнообразия.
«Наша работа показывает, что восточные и западные монархи спариваются вместе и обмениваются генетическим материалом в гораздо большей степени, чем предполагалось ранее», - говорит Талла. «И это дополняет доказательства того, что, вероятно, различия в их среде формируют различия в их миграционных моделях».
Соавтор Аманда Пирс, руководившая предыдущим исследованием 11 генетических маркеров, запустила проект, будучи аспиранткой лаборатории Де Руда.
«Бабочки монархи такие хрупкие и такие легкие, и все же они могут путешествовать на тысячи миль», - говорит Пирс. «Они прекрасные существа и отличная модельная система для понимания уникального врожденного поведения. Мы знаем, что миграция каким-то образом укоренилась в их генетической структуре».
После того, как монархи покидают места зимовки, они летят на север и откладывают яйца. Гусеницы превращаются в бабочек, а затем летят дальше, спариваясь и откладывая очередное поколение яиц. Процесс повторяется в течение нескольких поколений, пока, наконец, когда дни становятся короче, а температура понижается, монархи выходят из своих куколок и начинают летать на юг. Это мигрирующее поколение не тратит энергию на размножение или откладывание яиц, откладывая ее на долгий путь.
"Для каждой бабочки, которая добирается до Калифорнии или Мексики, это ее первое путешествие туда", - восхищается Пирс.
Предыдущая работа выявила склонность восточных и западных монархов к небольшим различиям в форме крыльев. Для текущей статьи исследователи хотели определить любые различия в их стилях полета.
Они собрали восточных монархов на миграционной стоянке в Сент-Марксе, Флорида, и западных монархов на одном из мест их зимовки недалеко от Океано, Калифорния. Пирс провел летные испытания с бабочками, привязав их к мельнице, которая ограничила их схемы полета кругами с окружностью около 25 футов. Испытания проводились в лаборатории при контролируемых условиях освещения и температуры, имитирующих места зимовки. По периметру летных мельниц были расставлены искусственные цветы.
«Идея заключалась в том, чтобы попытаться дать им некоторое подобие «естественной» среды, чтобы мотивировать их и сориентировать», - объясняет Пирс.
Бабочки были выпущены целыми и невредимыми из летательных аппаратов после коротких испытаний.
Результаты показали, что восточные монархи предпочитали летать на большие расстояния, в то время как западные монархи летали на более короткие расстояния, но с большей скоростью. «Более сильная черта полета западного монарха, по сути, похожа на спринтера, - говорит Пирс, - в то время как восточные монархи демонстрируют черту полета, больше похожую на марафонца."
Пирс окончил Эмори и теперь работает генетиком в Агентстве по охране окружающей среды в Вашингтоне, округ Колумбия
Талла, специализирующийся на биоинформатике, вырос в Индии, где богатое разнообразие дикой природы вдохновило его стать биологом-эволюционистом. Он переехал в Швецию, чтобы получить докторскую степень, где изучал геномику европейской древесной белой бабочки. Несмотря на то, что все белые древесные породы визуально кажутся одинаковыми, на самом деле это три разных вида.
"Один из важных вопросов, на который мне интересно ответить, заключается в том, как отдельный вид становится несколькими видами?" - говорит Талла. «Я хочу понять все процессы, связанные с этой эволюцией».
Он ухватился за возможность присоединиться к лаборатории Де Руда. «Монархи всегда были первыми в моем списке бабочек, которых я хотел изучить из-за их невероятных миграций», - говорит Талла. «Это очаровательный вид».
В ноябре прошлого года он присоединился к де Рооде в лабораторной поездке на место зимовки восточного монарха, расположенное внутри и рядом с биосферным заповедником бабочек-монархов в центральной Мексике. Десятки или сотни миллионов монархов укрывают деревья и пейзажи зимой. «Это умопомрачительное зрелище, - говорит Талла. «Это заставляет задуматься, откуда они все знают, как туда добраться».
Предыдущие исследования по отслеживанию и наблюдениям показали, что по крайней мере некоторые западные монархи летают на юг в Мексику, а не на запад в Калифорнию. Анализ полного генома предполагает, что более чем несколько западных монархов могут совершить поездку в Мексику, где они смешаются с восточными монархами. А когда бабочки улетят из Мексики, некоторые из них могут полететь на запад, а не на восток.
«Доказательства с разных сторон объединяются, чтобы поддержать одну и ту же точку зрения», - говорит де Руд.
Выводы могут помочь в сохранении монархов. Из-за сочетания потери среды обитания, изменения климата и отсутствия нектароносных цветов численность как восточных, так и западных монархов в последние десятилетия сократилась, причем наиболее резкое падение наблюдается у западных. Служба рыболовства и дикой природы США в настоящее время рассматривает вопрос о том, нуждаются ли бабочки в особой защите.
«Если только факторы окружающей среды определяют различия между восточными и западными монархами, возможно, мы могли бы помочь западному населению, пересадив часть восточных монархов на запад», - говорит де Руд.
Лаборатория Де Руда теперь планирует выяснить, что именно в окружающей среде бабочек вызывает различное проявление их генов.
Работа финансировалась Университетом Эмори, Национальным научным фондом и Национальным институтом здравоохранения.