Hace aproximadamente una década, el biólogo evolutivo Richard Merrill pasaba varias horas al día en el "cálido y humeante Panamá", sentado en una jaula llena de mariposas Heliconius, esperando que tuvieran relaciones sexuales.
"Suena glamoroso, ¿verdad?", Se ríe.
Merrill estaba haciendo un seguimiento de si las mariposas híbridas macho Heliconius coquetearían, en forma de revoloteo o persecución, con las mariposas Heliconius melpomene rosina de alas rojas o las mariposas Heliconius cydno chioneus de alas blancas. Documentó este cortejo de mariposas para estudiar la preferencia de pareja de los híbridos, que él y su equipo examinarían más tarde a nivel genético.
En la naturaleza, las mariposas híbridas Heliconius son raras. Heliconius melpomene y Heliconius cydno son altamente venenosos, han evolucionado para producir su propio cianuro, y los depredadores han aprendido exactamente cómo se ven estos dos insectos tóxicos. Sin embargo, si las dos especies se cruzan, su patrón de ala se convierte en una mezcla desorientadora de ambos patrones de color, lo que hace que las mariposas híbridas sean un objetivo destacado para la depredación. Como resultado, la vida de los híbridos a menudo termina antes de que puedan reproducirse.
En un artículo publicado ayer en la revista PLOS Biology, Merrill y sus colegas han confirmado por primera vez que el comportamiento de apareamiento preferencial en estas mariposas está escrito en su ADN. Específicamente, su equipo encontró solo tres partes del genoma que controlan al menos el 60 por ciento del comportamiento de elección de pareja.
"Ilustra que un comportamiento complejo como la preferencia de pareja puede asociarse con solo tres regiones del genoma", dice Erica Westerman, bióloga evolutiva de la Universidad de Arkansas, que no participó en el estudio. “Esto se cree que está asociado con muchas áreas del genoma. Nos permitirá adoptar un enfoque específico para ver cómo estos genes influyen en el comportamiento de estas mariposas ".
Aquí las dos especies — Heliconius cydno, izquierda, y Heliconius melpomene, derecha— cortejan en un insectario. Es muy poco común en la naturaleza, pero los científicos pueden inducirlos a hacerlo en cautiverio. (Luca Livraghi) Exactamente cómo estas dos mariposas Heliconius siguen siendo especies separadas sigue siendo un misterio. La especiación, o el proceso de crear una nueva especie, se explica fácilmente cuando hay límites geográficos, como montañas, para dividir físicamente una sola especie en dos. Lo que desconcierta a los científicos es que H. melpomene y H. cydno han vivido juntos en los mismos ecosistemas, compitiendo por los mismos recursos, durante más de un millón de años. Sin embargo, las coloridas mariposas venenosas siguen siendo dos especies separadas, negándose a aparearse y fusionar sus rasgos genéticos.
Es una demostración perfecta de un concepto biológico llamado aislamiento reproductivo, que ha convertido a las mariposas Heliconius en sujetos principales para estudios evolutivos durante más de 100 años. Los científicos plantean la hipótesis de que el aislamiento reproductivo se mantiene, en algunos casos, a través de un poderoso apareamiento surtido, lo que significa que un organismo solo se reproducirá con una pareja que se parece a ellos. Por lo tanto, la barrera que los divide no es ambiental, sino más bien genética.
Merrill, quien ahora reside en la Universidad Ludwig Maximilian de Munich, y sus colegas utilizaron un método que muestra qué áreas del genoma tienen el mayor efecto en el comportamiento de apareamiento, pero no identificaron los genes exactos. Aun así, su análisis fue lo suficientemente claro como para mostrar que una de las tres regiones que influye en la preferencia de apareamiento está cerca de un gen llamado optix, que se sabe que controla los patrones vibrantes del ala roja en H. melpomene . ( Optix tiene una influencia tan fuerte en el color que encenderlo y apagarlo usando la herramienta de edición de genes CRISPR puede hacer que las alas de una mariposa sean totalmente incoloras). De hecho, esta región genética tiene solo 1.2 centiMorgans, que son unidades utilizadas para medir la distancia entre genes en un cromosoma, lejos del gen optix .
El hecho de que las cadenas genéticas que controlan la preferencia de pareja estén tan cerca de optix, el gen que crea los patrones del ala, así como algunas otras señales visuales, tiene implicaciones emocionantes para los investigadores que estudian la evolución de comportamientos como la preferencia de apareamiento.
Una mariposa Heliconius melpomene rosina descansa sobre una flor. (Richard Merrill) "[Este estudio] proporciona mucha información sobre cómo la preferencia y la señal de preferencia están vinculadas físicamente", dice la bióloga evolutiva Susan Finkbeiner de la Universidad de Chicago, que no participó en el estudio. La investigación apoya la idea de que "el patrón de color del ala anterior y la preferencia por ese color particular del ala anterior están asociados entre sí".
Si el comportamiento de apareamiento y el rasgo preferido se enredan físicamente en un solo cromosoma, entonces ambos pasarían a la próxima generación con facilidad, manteniendo una especie de barrera genética entre las dos especies. "Podemos tener la evolución de nuevas especies sin evocar barreras físicas, como mares o montañas", dice Merrill.
Un segundo estudio mostró que, aunque la supervivencia híbrida es rara, ha sucedido lo suficiente en los últimos millones de años que estas dos mariposas comparten diez veces más material genético que los humanos y los neandertales. Parece que incluso unos pocos eventos de cruzamiento pueden tener un fuerte efecto en la genética.
La investigación, dirigida por el biólogo evolutivo Simon Martin de la Universidad de Cambridge, utilizó la secuenciación del genoma completo de nueve poblaciones de Heliconius para identificar áreas del ADN de las mariposas donde la hibridación y la selección natural han influido en la genética de los organismos a lo largo del tiempo. El hecho de que la especie permanezca tan visualmente distinta a pesar de genomas muy similares reafirma cuán poderosas son las fuerzas evolutivas en la configuración del árbol de la vida.
"No hay un solo camino evolutivo", dice Martin. “Es una red o una web. Pero mi estudio muestra que es predecible. Hay un hermoso patrón predecible en esta compleja red de la vida ".
En última instancia, los resultados de Martin, también publicados en PLOS Biology, también fortalecen los hallazgos de Merrill, mostrando que las dos especies permanecen separadas debido a las fuertes barreras genéticas dentro de su ADN que surgieron a través de la selección natural, barreras como la conexión entre optix y preferencia reproductiva. Este vínculo entre el color del ala y la preferencia de pareja no se puede perder ni siquiera en las mariposas híbridas porque los dos rasgos genéticos están muy unidos, posiblemente incluso impulsados por los mismos genes. Dichas barreras genéticas hacen que la especiación sea predecible a pesar de la evidencia de eventos históricos de hibridación.
"Hay previsibilidad debido a la selección natural", dice Martin. "No es solo en la creación de especies, sino también en la determinación de qué genes se transmiten y cuáles no [eso] eleva el papel de la selección natural en la evolución".
Como siguiente paso, Merrill espera encontrar los genes precisos que subyacen a este comportamiento de preferencia de color de ala. Está reflexionando sobre el posible uso de aprendizaje automático y cámaras de video para permitir que el equipo recopile más datos la próxima vez.
"Estamos tratando de desarrollar métodos para automatizar este proceso", dice Merrill. Una vez que el equipo tiene genes específicos a los que apuntar, pueden usar CRISPR para realizar estudios de eliminación y observar cómo se comportan las mariposas sin los genes que se cree que controlan su comportamiento.
Sin los genes que controlan la preferencia selectiva del color de las alas de las mariposas Heliconius, las dos especies separadas podrían estar más inclinadas a aparearse entre sí. Sin embargo, para saber con certeza, Merrill puede tener que regresar a la jaula de mariposas en el Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales y sentarse y esperar para ver si puede atrapar cualquier acción de insectos entre especies. Aunque, no le importaría.
"No hay otro lugar en el mundo en el que podrías haber hecho este estudio", dice.
