مطالعه تجربی روی پروانه ها از ایده برش کوکی مولکولی پیشنهاد شده برای پروانه ها پشتیبانی می کند

توسط جرالد پینسون، موزه تاریخ طبیعی فلوریدا

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

آیا تا به حال به اختراع مجدد خود فکر کرده اید؟ بر اساس مطالعه جدیدی که توسط آندری سوراکوف، هماهنگ کننده مجموعه Lepidoptera در موزه تاریخ طبیعی فلوریدا و دانشیار وابسته حشره شناسی در دانشگاه فلوریدا بر روی پروانه ها انجام شد، آنقدرها هم که فکر می کنید سخت نیست.

سوراکوف به طور خاص به رشد بال در پروانه های لونا (Actias luna) و polyphemus (Antheraea polyphemus) نگاه کرد. او با افزودن مقدار کمی هپارین و سولفات دکستران - دو نوع پلی ساکارید سولفاته - در طی مراحل حیاتی توسعه آنها، توانست الگوهای روی بالهای آنها را به شدت تغییر دهد. الگوهای بال‌های پروانه ماه به ویژه از رنگ‌های مرموز (استتار شده) به رنگ‌های آپوسماتیک (مشاهده) تغییر کردند.

هر دوی این ترکیبات شکل بال پروانه ماه را نیز تغییر دادند، چیزی که قبلا هرگز به طور تجربی در Lepidoptera، گروهی که همه پروانه ها و پروانه ها را در بر می گیرد، به دست نیامده بود.

این مقاله در مجله Evolution & Development منتشر شده است.

برخی از پروانه‌های ابریشمی غول‌پیکر دارای نقاط چشمی هستند که باعث می‌شود برای شکارچیان بالقوه تهدیدآمیز به نظر برسند. برخی دیگر مانند برگ‌ها به نظر می‌رسند، با لکه‌های چشمی شفاف شبیه سوراخ‌هایی که متقاعدکننده‌تر می‌شوند. آنچه برای من شگفت‌انگیز است، و چیزی که از این مطالعه آموختم، این است که چقدر آسان است که این ویژگی‌ها از حالتی به حالت دیگر بروند. آنها این کار را بدون انقباض کامل به عناصر بزرگ انجام می‌دهند. سوراکوف گفت: نیاز به افزایش جزئی در مقدار ترکیبات خاص در لحظه مناسب است.

لکه های چشم پروانه و پروانه در قسمت های مختلف بال قرار دارند که نشان می دهد آنها مستقل از یکدیگر تکامل یافته اند.

در ابتدا، سوراکوف می‌خواست بداند که آیا این دو گروه از ژن‌های یکسانی برای ایجاد نقاط چشمی استفاده می‌کنند یا اینکه به طور مستقل بر روی طرح یکسانی همگرا می‌شوند. برای پی بردن به این موضوع، او با افزودن پلی ساکاریدهای سولفاته به چندین گونه پروانه ابریشم غول‌پیکر، تغییر رنگ و الگوی زشت بال‌های آنها را القا کرد.

افزودن هپارین خارجی و سولفات دکستران فعالیت گروهی از پروتئین ها به نام wnt را افزایش می دهد. سوراکوف این فرضیه را مطرح کرد که اگر لکه‌های چشمی دو گونه مختلف به طور مشابه به هپارین و سولفات دکستران واکنش نشان دهند، احتمالا همولوگ خواهند بود (منشا تکاملی یکسانی دارند)، اگرچه برای تأیید صحت این موضوع به کارهای تجربی بیشتری نیاز است.

در بزرگترین خانواده پروانه ها که پوره نامیده می شوند، لکه های چشمی در امتداد حاشیه بال قرار دارند. افزودن هپارین در طول رشد اولیه پوره ها می تواند لکه های چشم آنها را به طور کامل از بین ببرد.

اما زمانی که سوراکوف در مطالعه قبلی به دو گونه پروانه ابریشم غول پیکر هپارین داد، لکه های چشم آنها بزرگتر شد. از نظر سوراکوف، این اثرات معکوس نشانه واضحی بود که لکه‌های چشمی این پروانه‌ها مستقل از آن‌ها در پروانه‌ها تکامل یافته‌اند.

پس از انتشار مطالعات اولیه‌اش بر روی پروانه‌های ابریشم غول‌پیکر در سال 2020، سوراکوف تصمیم گرفت گونه‌ای دیگر با ظاهر بسیار متفاوت را اضافه کند - پروانه لونا که نه به خاطر نقاط چشمی که به سختی قابل توجه هستند، بلکه به خاطر دم‌های عقبی بلندش مشهور است.

این مطالعه جدید در مجموع هفت سال طول کشید تا سوراکوف تکمیل شود و در این مدت او بیش از 700 پروانه لونا و پلی فموس را از تخم تا بزرگسالی با دست پرورش داد.

سوراکوف مقدار کمی هپارین را کمی قبل و بعد از شفیره‌سازی، مرحله‌ای که در آن لارو حشرات دگردیسی نهایی خود را به بزرگسالان و زمانی که الگوی بال‌هایشان مشخص می‌شود، تجویز کرد.

اما بعد از دو سال آزمون و خطا هیچ اتفاقی نیفتاد. سوراکوف بدون هراس به تغییر غلظت هپارین و زمان های تجویز دوز ادامه داد.

او گفت: "من به تلاشم ادامه دادم و در نهایت به یک دگرگونی رسیدم. اما الگوی بال نبود. شکل بال بود. این تک نمونه آنقدر متفاوت بود که نمی توانستم آن را نادیده بگیرم."

این نمونه یک شب پره ماه بود و تغییری که سوراکوف مشاهده کرد در شکل دم بال های آن بود که از همه پروانه هایی که تا آن زمان پرورش داده بود، پهن تر شد. دانشمندان فکر می کنند پروانه ماه این دم ها را به عنوان وسیله ای برای انحراف حملات خفاش ها از قسمت اصلی بدن خود تکامل داده اند. در مورد اینکه چرا لکه‌های چشم ثابت می‌ماند در حالی که دم‌ها بازتر می‌شدند، سوراکوف گیج شده بود.

"من فکر کردم، این بسیار عجیب است. شاید ژن هایی که به طور معمول مسئول الگوهای بال هستند، در اینجا مسئول شکل بال هستند، زیرا ظاهرا این تنها چیزی است که تغییر شکل داده است."

سوراکوف به زودی این ایده را با تنظیم زمان تجویز هپارین، که در نهایت منجر به تغییرات پیش بینی شده لکه چشم همراه با تغییر شکل بال شد، رد کرد.

در پروانه‌های پلی‌فموس، حاشیه‌های زرد دو نقطه چشمی لیمویی شکل بالایی ضخیم شد و پوسته‌های قهوه‌ای اطراف که با بقیه قسمت‌های بال مطابقت داشت، سفیدتر شدند. حاشیه سیاه اطراف لکه های چشمی بال عقب نیز گسترش یافته است. هر دو تغییر نقاط چشم را بیشتر نمایان کردند.

در پروانه‌های قمری، لکه‌های چشمی دایره‌ای روی بال‌های خلفی به حالت چرک در آمدند و لبه‌ای ضخیم از ریمل ایجاد کردند که به‌طور مشابه آن‌ها را بیشتر به چشم می‌آورد.

توانایی تغییر ظاهر خود در یک بازه زمانی کوتاه به پروانه ها اجازه می دهد تا به سرعت با محیط های جدید سازگار شوند. برای مثال، پروانه‌های لونا با داشتن ظاهر کلی برگ از شکارچیان بصری پنهان می‌مانند. اگر پوشش مرموز برگ آنها به طور ناگهانی از کار بیفتد، جهش همراه با فشار شکار پرندگان می تواند به سرعت دید لکه های چشم آنها را در عرض چند نسل افزایش دهد.

سوراکوف گفت: "اگر شما یک پرنده کوچکتر یا یک سنجاب هستید، قبل از حمله به چیزی در تاریکی جنگل که شبیه چشمان جغد است، دو بار فکر می کنید. پروانه ها و پروانه ها استادان چنین فریبکاری هستند."

با این حال، دلیل اینکه شکل بال نیز تحت تأثیر قرار گرفته است، نامشخص است و به خصوص گیج کننده این است که چرا در پروانه ها مشاهده نشده است. سوراکوف چند ایده دارد.

بر خلاف بال‌های سایر حشرات پرنده، که با رسیدن به اندازه‌ای مشخص رشد نمی‌کنند، رشد بال‌های Lepidoptera با یک سری مرگ‌های سلولی برنامه‌ریزی‌شده در امتداد چیزی که در نهایت به حاشیه بال تبدیل می‌شود، پایان می‌یابد و به آنها شکل‌های منحصربه‌فردی می‌دهد.

سیگنال برای خود تخریبی این سلول ها توسط پروتئینی به نام برش انجام می شود که به هپارین یا سولفات دکستران پاسخ نمی دهد.

اما در مراحل اولیه رشد، قبل از مرگ سلول‌های حاشیه‌ای، نوع دیگری از پروتئین سیگنال‌دهنده به نام بدون بال که به هپارین و سولفات دکستران پاسخ می‌دهد، نشان داده شده است که اندازه تک تک عناصر درون بال را که به عنوان فضای بین رگ‌ها تعریف می‌شود، کنترل می‌کند.

ژن بدون بال تا زمانی که لکه‌های چشمی شروع به شکل‌گیری می‌کنند، اغلب غیرفعال است، یعنی زمانی که سوراکوف شروع به دستکاری در رشد بال‌ها می‌کند. بنابراین هنگامی که تمرکز یک آزمایش بر روی نقاط چشم است، تغییرات در اندازه عناصر به ندرت مشاهده می شود.

اما بدون بال همچنین عملکرد مهمی در ترمیم سلول های آسیب دیده پس از آسیب دیدگی بال دارد، به این معنی که در صورت نیاز می توان آن را روشن و خاموش کرد. گاهی اوقات این نیاز رشد سلول های جدید در نواحی زخمی بال است. گاهی اوقات، همانطور که در مورد دم چلچله های لوله ای وجود دارد، این نیاز این است که دم بال های کوچک آنها را توسعه دهند.

یک مطالعه برجسته که در سال 2010 منتشر شد نشان داد که هر دو بریده و بدون بال در تشکیل دم دم چلچله‌های تاک فعال هستند. سوراکوف مشکوک است که همین امر ممکن است در مورد پروانه ماه نیز صادق باشد. اگر این درست باشد، به این معنی است که ژن بدون بال به طور مستقل توسط انتخاب طبیعی برای تکامل دم بال در پروانه ها و پروانه ها انتخاب شده است.

اما در مقایسه با دم‌های بال کوچک دم چلچله‌ها، که با افزودن به جلوه کاذب سر، به عنوان یک حواس‌پرتی برای پرندگان عمل می‌کند، دم پروانه‌های قمری بسیار بلندتر هستند و شکل آنها بر نحوه پرواز این حشرات تأثیر می‌گذارد.

سوراکوف گفت: «این فقط استنباط من است، اما فکر می‌کنم بسیار قابل قبول است و توضیح می‌دهد که چرا در پروانه‌ها یا پروانه‌های دیگر ما تغییر زیادی در شکل بال در پاسخ به هپارین نمی‌بینیم – بدون بال در آن مرحله از رشد بال در بیشتر گونه‌ها روشن نمی‌شود.»

آندری سوراکوف، اصلاحات شکل بال و الگوی رنگ در پروانه های ابریشم غول پیکر با استفاده از پلی ساکاریدهای سولفاته: درک سیگنال های مورفوژنیک در بال های شفیرگی Lepidoptera، تکامل و توسعه (2026). DOI: 10.1111/ede.70058

ارائه شده توسط موزه تاریخ طبیعی فلوریدا

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →