Учёные выяснили, как группа гусениц стала ядовитой

Бабочки рода Eumaeus (включая Eumaeus atala) демонстративно показывают свою токсичность. Их ядовитость происходит от пищи гусениц — растений цикадовых, которые существуют со времён динозавров и содержат мощный токсин для печени — циказин.

Будучи наполненными ядом, бабочки Eumaeus крупные, ярко-иризирующие и летают медленно. Даже их гусеницы заметны: они сбиваются в группы, поедая цикады, и имеют броскую красно-золотую окраску. Эти демонстративные качества сигнализируют хищникам, что они — плохая добыча.

Новое исследование под руководством куратора бабочек Национального музея естественной истории Смитсоновского института Боба Роббинса раскрывает эволюционную историю того, как эти шесть ядовитых бабочек приобрели свои защитные механизмы, а также яркую окраску и поведение, отпугивающие хищников.

Статья, опубликованная 8 февраля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, основана на 46 секвенированных геномах бабочек, включая всех шестерых представителей Eumaeus и ряд видов из их обширной (около 1000 видов) родственной группы — голубянок-хвостаток (hairstreaks).

Хвостатки широко распространены в Северной и Южной Америке, и почти все они мелкие, незаметные и скрытные. Их гусеницы, как правило, питаются разнообразными цветковыми растениями, хорошо замаскированы и не сбиваются в группы. Eumaeus — заметное исключение. Из-за древней эволюционной истории цикадовых большинство учёных предполагало, что шесть видов Eumaeus развили свою устойчивость к циказину и броскую внешность очень давно.

Чтобы прояснить этот вопрос, Роббинс и его коллеги около трёх лет назад секвенировали геномы всех шести представителей Eumaeus и множества других хвостаток. Результаты определённо показали, что Eumaeus — не древнее эволюционное ответвление от остальных хвостаток. На самом деле они близкородственны двум довольно типичным родам — Theorema и Mithras.

Результаты также показали, что способность поедать ядовитые цикады стала таким преимуществом для Eumaeus, что спровоцировала всплеск быстрых эволюционных изменений, опережающих всех других хвостаток. Команда также выяснила, что Eumaeus разделились на две эволюционные линии уже после того, как начали питаться цикадами, что позволило дважды проанализировать этот эволюционный рывок.

При анализе геномов Eumaeus учёные увидели поразительное количество генетических изменений в участках, связанных с построением различных типов белков. Чтобы сузить поиск и определить, связаны ли эти белки с поеданием цикад, исследователи сравнили геномы Eumaeus с геномами их ближайших нетоксичных родственников — бабочек рода Theorema, чьи замаскированные, одиночные гусеницы питаются обычными цветковыми растениями.

«И действительно, была основная группа белков, которые претерпели множество быстрых изменений у Eumaeus, но не у тех хвостаток, которые не едят цикады», — сказал Роббинс. — «Когда мы посмотрели на функцию быстро изменившихся белков, она была очень сильна для белков, которые разрушают клетки, удаляют мёртвые клеточные остатки и создают новые клетки».

По словам Роббинса, эти белки — именно то, что нужно организму, чтобы безопасно потреблять токсин типа циказина. «Если токсины цикадовых убивают клетки с высокой скоростью, организму нужно расщеплять эти клетки, очищать от них и затем очень быстро создавать новые, чтобы избежать негативных последствий».

Это исследование детализирует эволюцию защитного механизма у этих шести видов бабочек и его генетические последствия. Хотя появление предостерегающей окраски и медленного полёта, возможно, не так легко выделить в генах Eumaeus, оно появилось параллельно с изменением диеты.

Многочисленные виды бабочек эволюционировали, чтобы стать менее привлекательными для хищников, поедая токсичные вещества. Роббинс отмечает, что это эволюционное объяснение того, как Eumaeus отточил свою защиту, может предложить модель для понимания того, как виды адаптируются к жизни с такими токсинами внутри своего тела.