Převleky můr
1. 7. 2011
Během průmyslové revoluce v 19. století se v Anglii objevil zvláštní úkaz: některé můry a noční motýli se neobvykle zabarvili a jejich vzor na křídlech připomínal kůru listnatých stromů. Toto zabarvení nabývalo černé – odborně melanické – formy. Můry pak lépe splynuly se silně znečištěným prostředím a byly tak méně nápadné pro ptačí predátory. Jev byl proto nazván průmyslový melanismus. Nové zásadní poznatky o takovéto genetické mutaci můry drsnokřídlece březového přinesl v těchto dnech článek v prestižním časopisu Science. V rámci mezinárodní spolupráce dvou vědeckých týmů jsou jeho spoluautory i prof. RNDr. František Marec, CSc., a Mgr. Martina Dalíková z Biologického centra AV ČR. Až anglicko-české mapování genomu můry vedlo k objevným závěrům o genetické podstatě této mutace.
Během průmyslové revoluce v 19. století se v Anglii objevil zvláštní úkaz: některé můry a noční motýli se neobvykle zabarvili a jejich vzor na křídlech připomínal kůru listnatých stromů. Toto zabarvení nabývalo černé – odborně melanické – formy. Jev byl proto nazván průmyslový melanismus.
Jinak zbarvené můry totiž lépe splynuly se silně znečištěným prostředím, neboť kůra bez lišejníků ztmavla. I vegetace se pokryla exhaláty. Můry tak byly méně nápadné pro ptačí predátory. Učebnicovým příkladem této rychlé evoluční odpovědi na drastické změny prostředí se stal drsnokřídlec březový, motýl z čeledi píďalkovitých.
První záznam zcela černě zbarvené formy drsnokřídlece, nazvané carbonaria, pochází z okolí Manchesteru z roku 1848. Tato forma se rychle šířila v průmyslových částech Anglie a během padesáti let téměř vytlačila původní světlou formu, zvanou typica. V dnešní době je její výskyt ve Velké Británii spíše raritou.
Dědičné mechanismy, které změnu barvy křídel u motýla způsobily, pomohli odhalit čeští odborníci z Biologického centra Akademie věd v Českých Budějovicích.
Prof. RNDr. František Marec, CSc., vedoucí laboratoře molekulární cytogenetiky, Biologické centrum AV ČR: My jsme na výzkumu podstaty průmyslového melanismu u drsnokřídlece březového začali spolupracovat s anglickými kolegy v podstatě od samého začátku. Protože se stále nedařilo nalézt tento gen, tak kolegové se rozhodli, že sestaví takzvanou genetickou mapu. V tom je dobrá naše laboratoř, tak jsme byly požádáni, abychom provedli kompletní cytogenetickou analýzu drsnokřídlece březového.
Dědičné mechanismy, které za rychlou změnou barvy stály, nebyly až donedávna známé. Jisté bylo jen to, že jsou podmíněny mutací genu zodpovědného za produkci černého pigmentu melaninu. Díky mušce octomilce a bourci morušovému, kteří jsou modelovými organismy a u kterých už byly zjištěny celé genomy, znají vědci šestnáct genů, které u hmyzu odpovídají za zabarvení.
Odhalit konkrétní gen zodpovědný za mutaci drsnokřídlece se ale nepovedlo. Viník se musí skrývat jinde. Vědci se proto se začali zabývat podrobným mapováním celé genetické výbavy drsnokřídlece. Teprve až tento výzkum přinesl nové zásadní poznatky o podstatě mutace.
Čeští vědci mají totiž zvláštní genomovou knihovnu, která se skládá z umělých bakteriálních chromozomů. Ty zároveň nesou všechny části genetické informace drsnokřídlece. Pomocí takové knihovny s bakteriálními sondami umí vědci zjistit určité části genomu přímo na chromozomech motýla a tak vystopovat umístění genu, který je zodpovědný za černé zabarvení.
Mgr. Martina Dalíková, vědecká pracovnice, Biologické centrum AV ČR: Na základě podobnosti té sekvence z té genomové knihovny a té sekvence na chromozomech se ta sonda spojí s těmi chromozomy a my to poté můžeme lokalizovat, detekovat místo toho chromozomu, kde došlo k tomu spojení pomocí toho, že tu sondu máme naznačenou fluorescenční barvou, která potom po osvícení svítí, a my vidíme, kde nám to tedy hybridizovalo.
V Liverpoolu mezitím zkoumali geny zhruba šedesáti černých a běžných jedinců z okolí Leedsu a srovnávali je se vzorky z jiných částí Británie i s muzejními exponáty. Podařilo se jim potvrdit, že všechny formy carbonaria v Británii mají společný původ a že tato forma vznikla jedinou mutační změnou. Prokázali také, že hledaný gen leží v oblasti genomu nesoucí známky silného selekčního tlaku a že odpovídá chromozomu 17 modelového druhu bource morušového.
Vědci z Entomologického ústavu pak zjistili odpovídající chromozom 17 u drsnokřídlece. Určili také konkrétní oblast na tomto chromozomu, kde se gen s mutací zodpovědnou za černou barvu nachází. Vymezili na něm zhruba 200 tisíc písmen, čili nukleotidů DNA. Nyní stačí, aby se vědci zaměřili právě na tuto oblast, zjistili přesné pořadí písmen a stanovili, jakou funkci všechny nalezené geny mají.
Prof. RNDr. František Marec, CSc., vedoucí laboratoře molekulární cytogenetiky, Biologické centrum AV ČR: Skupina genů, které se v této oblasti nachází, je evidentně velice významná. A my známe i jaké sekvence tam jsou u modelového organismu bource morušového, jenže nevíme, co znamenají. Poznání mutace u drsnokřídlece březového, pochopení molekulární podstaty, může mít dalekosáhlý význam jak pro pochopení imunitních reakcí, tak pro pochopení kryptického zbarvení, pro pochopení mimiker, vývoje mimiker u motýlů i u jiných organismů atd.
Existuje několik hypotéz, jakým způsobem znečištěné prostředí motýla ovlivňuje. Kromě usazování popílku a dalších exhalátů na místech, kde motýli sedávají, určitě hrála roli také zvýšená koncentrace oxidu siřičitého v ovzduší. Oxid siřičitý totiž hubí lišejníky, které dřív rostly na kůře stromů, takže bez nich jsou stromy daleko tmavší.
V loňském roce ale zveřejnili finští entomologové Kauri Mikkola a Markus Rantala studii s tvrzením, že drsnokřídlec březový častěji sedává v úžlabí větví, nikoliv na kmenech, a že si dokáže v přírodě vyhledat barevně vhodné místo, na kterém bude dostatečně chráněný.
První hypotéza o vlivu tmavého prostředí tedy byla zpochybněna a v odborných kruzích se objevilo další možné vysvětlení. Ukázalo se, že tmaví motýli mají silnější imunitní reakci na parazity nebo na těžké kovy.
Prof. RNDr. František Marec, CSc., vedoucí laboratoře molekulární cytogenetiky, Biologické centrum AV ČR: V podstatě u hmyzu je známo, že jestliže se dostane taková toxická látka nebo cizorodý organismus do těla hmyzu, tak ten hmyz se tomu brání. Nejprve tu látku nebo organismus detekují hemocyty, ty se agregují, nashromáždí se kolem té cizorodé látky, agens, a vytvoří jakousi kapsuli, tomu se říká enkapsulace. Ta kapsule je zpevněna ukládáním melaninových zrn. Samozřejmě, organismus, který těch melaninových zrn dokáže vyprodukovat daleko víc, má tu imunitní odpověď daleko silnější a rychlejší a dokáže se daleko více bránit.
Nelze tedy vyloučit, že se černé formy v průmyslových oblastech prosadily nejen kvůli svému výhodnému maskování, ale také kvůli tomu, že jsou ve znečištěných podmínkách odolnější. Zatím není jasné, zda černí motýli, rozšíření po kontinentální Evropě i po Americe, vznikli ze stejné genetické mutace, anebo nezávisle na událostech ve Velké Británii. Ani současný stav populací drsnokřídlece na našem území není zmapován.
Melaniny jsou důležité pro život všech organismů – pro jejich fyziologii, imunitní reakce a výběr partnera. Také hrají svoji roli při ochraně před stresem a poškozením buněk slunečními paprsky, vysokou teplotou či chemickými látkami. Je to zkrátka důležitá složka každého organismu, takže pochopení podstaty jeho dědičnosti může mít dalekosáhlý dopad.
Prof. RNDr. František Marec, CSc., vedoucí laboratoře molekulární cytogenetiky, Biologické centrum AV ČR: Já bych byl osobně jenom velice rád, kdyby alespoň poznáním toho genu byla udělána taková tečka za výzkumem průmyslového melanismu, který byl popsán jako unikátní jev, jako unikátní příklad přírodní selekce, která vlastně dokumentuje jak změna životního prostředí, jakou velikou reakci dokáže vyvolat. V učebnicích by ten příběh mohl být potom kompletní.
Jen několik desítek let stačilo motýlům, aby se adaptovali na drastické zvraty v životním prostředí. Stane se jednou i člověk živočišným druhem, který se obdobně přizpůsobí změnám, za které je sám zodpovědný?
Autor: Jan Oraský