Le farfalle a coda di rondine femmina fanno qualcosa che molte farfalle fanno per sopravvivere:imitano i modelli delle ali, forme e colori di altre specie tossiche per i predatori. Alcune, ma non tutte, le specie a coda di rondine hanno evoluto diverse forme di questo tratto. Ma che tipo di cambiamenti genetici hanno portato a questi vari travestimenti, e perché alcune specie dovrebbero mantenere una forma non mascherata quando il mimetismo fornisce un ovvio vantaggio evolutivo?

In un nuovo studio pubblicato questa settimana in Comunicazioni sulla natura , scienziati dell'Università di Chicago analizzano i dati genetici di un gruppo di specie a coda di rondine per scoprire quando e come si è evoluta la mimica, e cosa ha guidato quei cambiamenti da allora. È una storia iniziata circa due milioni di anni fa, ma invece di essere costante, cambiamenti progressivi, un interruttore genetico casuale ha contribuito a creare i primi imitatori di coda di rondine. E da allora è rimasto fermo.

"Nelle farfalle con un motivo a un colore, abbiamo un gene con un orientamento normale sul cromosoma. Nelle farfalle con l'insolito, motivo a colori alternati, quel gene è stato separato, capovolto, e poi ricongiunto nel cromosoma ad un certo punto, " disse Marcus Kronforst, dottorato di ricerca, professore associato di ecologia ed evoluzione alla UChicago e autore senior dello studio.

"Quel capovolgimento, o inversione, impedisce ai due geni di ricombinarsi se questi due diversi tipi di farfalle si accoppiano, quindi hanno mantenuto entrambe le copie del gene nel tempo evolutivo, da quando si sono separati dal loro antenato comune due milioni di anni fa, " disse Kronforst.

Per molto tempo, gli scienziati pensavano che il mimetismo delle farfalle fosse controllato da "supergeni, " gruppi di diversi geni strettamente collegati che sono sempre stati ereditati come gruppo. In uno studio del 2014, Kronforst e i suoi colleghi hanno dimostrato che quello che sembra essere un supergene è in realtà un singolo gene chiamato doublesex che controlla i diversi modelli di colore e le forme che vediamo nelle femmine a coda di rondine.

Il gene doublesex era già noto per il suo ruolo nella differenziazione tra i sessi, ma nelle femmine l'invertito, o capovolto, la versione detta anche i modelli delle ali. Può ancora essere considerato un supergene perché controlla l'intero, complesso processo di modellamento delle ali, ma in questo caso, è solo il singolo gene.

Nel nuovo studio, guidato dal borsista postdottorato Wei Zhang, dottorato di ricerca, il team ha analizzato i dati di sequenza dell'intero genoma da Papilio polytes, la farfalla macaone asiatica, e diverse specie simili per vedere come sono imparentate tra loro, e come confrontare le loro copie di doublesex. Utilizzando questi dati, il team ha confrontato alcune spiegazioni alternative per le origini del mimetismo e ha identificato i fattori chiave che hanno mantenuto diverse forme di mimetismo a lungo termine.

La specie più strettamente imparentata con il gruppo P. polytes, chiamato Papilio protenore, è diffuso in tutta l'Asia continentale dall'India al Giappone e non ha sviluppato mimetismo:sia i maschi che le femmine si assomigliano. Altre specie che si sono diffuse dalla terraferma alle isole delle Filippine e dell'Indonesia hanno sviluppato tre o quattro forme distinte, una caratteristica nota come polimorfismo. Ancora altre specie di coda forcuta si sono diffuse ulteriormente in Papua Nuova Guinea e sulla costa nord-orientale dell'Australia, ma quelle femmine mostrano solo un modello di ali mascherato.

I ricercatori hanno confrontato i modelli che hanno visto nei dati della sequenza del genoma con alcune possibili spiegazioni su come questi modelli di mimetismo si sono sviluppati nel tempo e nella geografia. Il mimetismo si è evoluto indipendentemente in specie diverse in momenti diversi? Si è evoluto in una specie, e poi diffondersi attraverso incroci o ibridazione?

Sembra che il mimetismo abbia in realtà un'unica origine antica, quando il gene del doppio sesso si è capovolto due milioni di anni fa. Da quella prima inversione, Zhang e Kronforst hanno visto i segni di quella che è nota come selezione equilibrata. Quando un tipo di farfalla diventa più comune, i predatori si rendono conto che non sono tossici e iniziano a nutrirsi di loro. Questo riduce il numero di quella particolare farfalla, finché un altro non diventa più comune, e così via. Alla fine questo processo bilancia e conserva il numero relativo di ciascuna forma.

Hanno anche visto che alcune popolazioni di farfalle hanno mantenuto più forme femminili per milioni di anni, mentre altri hanno perso l'originale, forma non mascherata. Storicamente, i gruppi più piccoli, ad es. quelli che si sono diffusi più lontano in Australia, hanno perso il polimorfismo, permettendo alla deriva genetica casuale e alla selezione naturale di estirpare la forma originale.

I ricercatori hanno anche esaminato ciò che ha mantenuto il polimorfismo nel tempo. Una causa potrebbe essere la selezione sessuale, che i maschi preferiscono certi modelli di colore femminile rispetto ad un altro. Tuttavia, le ricerche precedenti sul comportamento di accoppiamento non supportano questa idea. Un'altra possibilità è "crypsis, " o l'idea che le femmine non mascherate si fondono nel loro ambiente naturale meglio delle imitazioni. Kronforst e il team hanno testato questa ipotesi confrontando femmine mimetiche e non mimetiche su uno sfondo di foresta verde utilizzando modelli per la visione dei predatori (cioè degli uccelli). mimetico, le femmine non travestite in realtà non si confondono con lo sfondo più di quanto non facciano le imitazioni, quindi anche questa idea è uscita.

Queste due scoperte, combinato con i dati della sequenza genomica, ha portato i ricercatori a iniziare a pensare a un'altra possibilità intrigante. Potrebbe essere che i cambiamenti genetici che hanno portato al mimetismo in primo luogo abbiano creato anche alcuni svantaggi a lungo termine. Quando il gene originario del doppio sesso si è invertito, probabilmente portava con sé un mucchio di altro materiale genetico non correlato. Dal momento che il gene del doppio sesso capovolto non può essere ricombinato con la sua versione originale, le cose extra hanno "autostop" da allora e potrebbero avere conseguenze. Infatti, alcune ricerche mostrano che i mimi femminili non vivono a lungo come quelli standard.

"Pensiamo che un sacco di differenze siano state catturate accidentalmente quando una copia del gene si è capovolta ed è diventata la copia mimetica. Poiché molti di questi cambiamenti sono funzionali, potrebbero essere dannosi per la salute, " disse Kronforst.

"L'idea è che tu abbia questo svantaggio cablato al mimetismo. Le femmine standard non hanno la protezione del mimetismo, ma non hanno nemmeno questo costo genetico intrinseco e queste due cose si compensano a vicenda", ha detto.

Ora che hanno svelato parte della storia dietro l'evoluzione del mimetismo, Kronforst ha detto che il suo team vuole iniziare a cercare le specifiche mutazioni genetiche sul doppio sesso che causano diversi tipi di mimetismo.

"Se riusciamo a trovare il modo di superare tutte le differenze che vediamo, dovremmo essere in grado di restringere il campo a qualcosa di molto più discreto di tutte le differenze che vediamo ora, " Egli ha detto.

Lo studio, "Tracciare l'origine e l'evoluzione del mimetismo dei supergeni nelle farfalle, " è stato sostenuto dai fondi di ricerca Neubauer dell'Università di Chicago, una borsa di studio Pew Biomedical Scholars, la National Science Foundation e il National Institutes of Health. Altri autori includono Erica Westerman dell'Università dell'Arkansas, insieme a Eyal Nitzany e Stephanie Palmer dell'Università di Chicago.