Naukowcy właśnie odkryli gen, który wyjaśnia przykład selekcji naturalnej często wymieniany w podręcznikach. Gen ten sprawia, że cętkowane szare ćmy pieprzowe stają się czarne. Gen ten może również kontrolować zmiany koloru skrzydeł u jaskrawo ubarwionych motyli.

Tajemnica pojawiła się w Wielkiej Brytanii w latach 1800. Rewolucja przemysłowa właśnie nabrała rozpędu. Pracowite fabryki zaczęły zaciemniać niebo dymem z palącego się drewna i węgla. Zanieczyszczenia w postaci sadzy poczerniały pnie drzew. W krótkim czasie wiktoriańscy naukowcy zauważyli zmianę również wśród ćmy pieprzowej (Biston betularia). Pojawiła się nowa, całkowicie czarna forma. Nazwano ją B. betularia carbonaria, czyli wersja „węglowa”. Starsza forma stała się typica, czyli formą typową.

Ptaki były w stanie łatwo zauważyć starego stylu, lekko zabarwione ćmy pieprzowe, jak osiedlili się na sadza-czarne pnie drzew. Ich nowe ciemne kuzyni zamiast wtopić. Wynik: te carbonaria były mniej prawdopodobne, aby być eaten.

Nic dziwnego, numery jasnych ćmy zaczęły spadać jak ich ciemnych kuzynów wzrosła. Do 1970 roku, w niektórych zanieczyszczonych regionach prawie 99 procent pieprzu ćmy były teraz czarne.

Pod koniec 20 wieku, rzeczy zaczęły się zmieniać. Prawa do kontroli zanieczyszczeń stopniowo w. Firmy nie mogły już wyrzucać w powietrze tyle słonych zanieczyszczeń. Wkrótce ptaki mogły łatwo dostrzec czarne ćmy ponownie. Teraz ćmy carbonaria stały się rzadkie, a ćmy typica dominują ponownie.

Zanieczyszczenie nie sprawiło, że ćmy stały się czarne. To tylko dało przewagę w maskowaniu się ćmom, które niosły zmianę genetyczną, która zmieniła ich skrzydła na czarne. A kiedy zanieczyszczenie zniknęło, tak samo jak przewaga ciemnych ćmy.

Nadal naukowcy byli zaskoczeni, jak czarne ćmy po raz pierwszy powstały. Aż do teraz, to jest. Naukowcy z Anglii wyśledzili różnicę między ćmami typica i carbonaria do genetycznej poprawki. Występuje ona w genie znanym jako cortex.

Naukowcy poinformowali o swoim odkryciu 1 czerwca w Nature.

Przykład szybkiej zmiany ewolucji

Geny zawierają instrukcje, które mówią komórkom co mają robić. Z czasem niektóre geny mogą się zmienić, często bez wyraźnego powodu. Takie zmiany są znane jako mutacje. To badanie „zaczyna dokładnie rozwikływać, czym była oryginalna mutacja”, która wytworzyła czarne ćmy, mówi Paul Brakefield. Jest on biologiem ewolucyjnym na Uniwersytecie Cambridge w Anglii. Znalezisko, jak mówi, „dodaje nowy i ekscytujący element do historii.”

Zmiany koloru skrzydeł u ćmy pieprzowej są powszechnym przykładem tego, co naukowcy określają jako dobór naturalny. W nim, organizmy rozwijają przypadkowe mutacje. Niektóre ze zmian w genach pozostawią osobniki lepiej dostosowane – lub zaadaptowane – do swojego środowiska. Takie osobniki będą częściej przeżywać. A gdy to zrobią, przekażą pomocną mutację swojemu potomstwu.

W końcu większość osobników, które przeżyją, będzie nosicielami tego zmienionego genu. A jeśli stanie się to z wystarczającą liczbą osobników, mogą one stworzyć nowy gatunek. To jest ewolucja.

Innym przykładem adaptacji i doboru naturalnego są motyle, które skopiowały, lub naśladowały, wzory kolorów innych. Niektóre motyle są toksyczne dla ptaków. Ptaki nauczyły się rozpoznawać wzory skrzydeł tych motyli i unikać ich. Nietoksyczne motyle mogą rozwinąć pewne genetyczne sztuczki, które sprawią, że ich skrzydła będą wyglądały jak skrzydła toksycznych motyli. Ptaki unikają podróbek. To pozwala na zwiększenie liczby naśladowców.

Szczegóły zmian w genach stojących za adaptacjami ćmy pieprzowej i motyla umykały naukowcom przez dziesięciolecia. Następnie, w 2011 roku, naukowcy wyśledzili cechy do regionu genów, który istnieje zarówno w ćmy i motyle. Nadal jednak, który dokładny gen lub geny stojące za zmianami pozostały tajemnicą.

W ćmach pieprzowych, region zainteresowania obejmował około 400,000 baz DNA. Bazy są przenoszącymi informacje jednostkami chemicznymi, które tworzą DNA. Region ten u tych owadów gościł 13 oddzielnych genów i dwa mikroRNA. (MikroRNA to krótkie fragmenty RNA, które nie niosą ze sobą schematu tworzenia białek. Pomagają one jednak kontrolować, ile pewnych białek komórka będzie produkować.)

Szukanie zmian w genach

„Nie ma tak naprawdę żadnych genów, które krzyczałyby do ciebie, mówiąc 'Jestem zaangażowany we wzorowanie skrzydeł'”, zauważa Ilik Saccheri. Jest on genetykiem ewolucyjnym na Uniwersytecie w Liverpoolu w Anglii. On również prowadził badania nad ćmą pieprzową.

Saccheri i jego zespół porównali ten długi region DNA u jednej czarnej ćmy i trzech typowych ćm. Badacze znaleźli 87 miejsc, w których czarna ćma różniła się od tych jasnych. Większość zmian dotyczyła pojedynczych zasad DNA. Takie warianty genetyczne znane są jako SNP. (Ten akronim oznacza polimorfizm pojedynczego nukleotydu). Inne zmiany polegały na dodaniu lub usunięciu niektórych zasad DNA.

Jedną z różnic był nieoczekiwany odcinek DNA o długości 21 925 baz. Został on w jakiś sposób wstawiony do regionu. Ten duży kawałek DNA zawierał wiele kopii elementu transpozycyjnego. (Jest to również znane jako skaczący gen.) Jak wirus, te kawałki DNA kopiują i wstawiają się do DNA gospodarza.

Zespół zbadał DNA setek więcej ćmy typica. Jeśli jasnokolorowa ćma miała jedną ze zmian, oznaczało to, że zmiana nie była odpowiedzialna za jej czarnego skrzydlatego kuzyna. Jeden po drugim, naukowcy wykluczyli mutacje, które mogą prowadzić do czarnych skrzydeł. W końcu znaleźli jednego kandydata. Był to duży element transpozycyjny, który wylądował w genie kory mózgowej.

Ale ten skaczący gen nie wylądował w DNA, które dostarcza wzoru do tworzenia białka. Zamiast tego wylądował w intronie. Jest to odcinek DNA, który zostaje wycięty po tym, jak gen zostaje skopiowany do RNA – i zanim powstanie białko.

Aby mieć pewność, że skaczący gen był odpowiedzialny za czarne skrzydła widziane podczas rewolucji przemysłowej, Saccheri i jego współpracownicy sprawdzili, jak stara była ta mutacja. Naukowcy wykorzystali historyczne pomiary tego, jak powszechne było czarne skrzydło w całej historii. Dzięki temu obliczyli, że gen skoków po raz pierwszy wylądował w intronie kory około 1819 roku. Ten czas dał mutacji około 20 do 30 pokoleń ćmy do rozprzestrzeniania się w populacji, zanim ludzie po raz pierwszy zgłosili obserwacje czarnych ćm w 1848.

Saccheri i jego koledzy znaleźli ten element transpozycyjny w 105 z 110 dzikich złapanych ćm carbonaria. To było w żadnym z 283 typica ćmy testowane. Pozostałe pięć ćm, teraz wnioskują, są czarne z powodu innych, nieznanych, genetycznych zmian.

Opaski motyli

Drugie badanie w tym samym numerze Nature skupiło się na motylach Heliconius. Te kolorowe piękności latają po całej Ameryce. I podobnie jak ćmy pieprzowe, są one modelami ewolucji od 1800 roku. Nicola Nadeau przewodziła grupie badaczy, którzy postanowili dowiedzieć się, co kontroluje kolory skrzydeł u tych motyli.

Nadeau jest genetykiem ewolucyjnym na Uniwersytecie w Sheffield w Anglii. Jej zespół szukał wariantów genetycznych związanych z obecnością – lub brakiem – żółtych pasków na skrzydłach. To ubarwienie jest ważne, ponieważ żółty pasek pomaga niektórym smacznym gatunkom motyli naśladować te o złym smaku. Udawanie złego w smaku motyla może pomóc smacznemu stać się obiadem drapieżnika.

Zespół Nadeau przeczesał ponad 1 milion baz DNA w każdym z pięciu gatunków Heliconius. Wśród nich był H. erato favorinus. Naukowcy znaleźli 108 SNPs w każdym członku tego gatunku, który miał żółty pasek na tylnych skrzydłach. Większość z tych SNPs były w intronach genu kory lub poza tym genem. Motyle bez żółtej opaski nie miały tych SNPs.

Inne zmiany DNA wokół genu kory zostały znalezione, które prowadzą do żółtych pasków na skrzydłach innych gatunków Heliconius, jak również. Sugeruje to, że ewolucja działała wielokrotnie na gen kory, aby prążkować skrzydła robali.

Szukanie dowodu na to, co robią „skaczące geny”

Odkrycie, że ten sam gen wpływa na wzory skrzydeł u motyli i ćmy pokazuje, że niektóre geny mogą być gorącymi punktami naturalnej selekcji, mówi Robert Reed. Jest on biologiem ewolucyjnym na Cornell University w Ithaca, N.Y.

Żaden z genów różnic w motylach lub ćmach pieprzowych nie zmienił samego genu kory. Oznacza to, że możliwe jest, iż skaczący gen i SNP nie robią nic z genem. Zmiany mogą być jedynie kontrolowaniem innego genu. Ale dowody na to, że kora naprawdę jest genem, na który zadziałała naturalna selekcja, są mocne, mówi Reed. „Byłbym zaskoczony, gdyby się mylili”.

Jeszcze nie jest oczywiste, jak gen kory zmieniłby wzory skrzydeł, mówi Saccheri. Zauważa on, że oba zespoły badawcze są „równie zdziwione tym, jak robi to, co wydaje się robić.”

Skrzydła ćmy i motyla pokryte są kolorowymi łuskami. Zespoły mają dowody na to, że gen kory pomaga określić, kiedy pewne łuski skrzydeł rosną. A u motyli i ćm, czas rozwoju skrzydeł-skrzydeł wpływa na ich kolory, mówi Reed. „Widzisz kolory wyskakujące prawie jak farba po numerach.”

Żółte, białe i czerwone łuski rozwijają się jako pierwsze. Czarne łuski przychodzą później. Wiadomo, że kora jest również zaangażowana we wzrost komórek. Więc dostosowanie poziomów białka, które robi, może przyspieszyć wzrost skrzydła-skali. A to może spowodować, że łuski staną się kolorowe. Albo może spowolnić ich wzrost, pozwalając im stać się czarnymi, spekulują naukowcy.

SNPs, oczywiście, może zmienić geny mogą wpływać na kolor w innych organizmach, w tym ludzi.

Ale wielkie take-home wiadomość w całej tej pracy, naukowcy mówią, jest jak prosta zmiana w jednym genie może zrobić różnicę w wyglądzie – i czasami przetrwanie – z gatunków, jak warunki change.

Word Find (kliknij tutaj, aby powiększyć do druku)