На примере бабочек-монархов ученые впервые получили генетическую картину миграционного поведения.
Перелетные насекомые
Бабочки-монархи (Danaus plexippus) замечательны тем, что осенью из Северной Америки улетают зимовать в Центральную Мексику, а весной возвращаются обратно. В течение миграции бабочки преодолевают расстояние свыше четырех тысяч километров. Стаи мигрирующих монархов привлекают внимание туристов и ученых. Первые ими любуются, а вторые пытаются разгадать механизмы их поведения.
Профессор Стивен Репперт (Steven M. Reppert), руководитель отделения нейробиологии медицинского факультета Массачусетского университета (University of Massachusetts Medical School) уже много лет изучает миграционное поведение бабочек- монархов. Основные вопросы, на которые ученые хотят найти ответ: что побуждает бабочек к перелету и как они ориентируются во время миграции.
В предыдущих исследованиях Стивен Репперт установил, что в полете бабочки ориентируются по солнцу и при этом используют свои внутренние часы. Для этого их помещали в специальный симулятор полета, в котором задавали тот или иной световой день и фиксировали направление полета.
Исследователь обнаружил и описал «часовой ген» бабочек, играющий основную роль в работе их внутренних часов. Благодаря этому бабочки не летят прямо на солнце, а определяют по нему направление миграции на юго-юго-запад, несмотря на перемещение светила по небу в течение дня. Как Репперт показал в эксперименте, ориентироваться по солнечному компасу бабочки могут только при естественной смене освещения.
Что толкает их к перемене мест
В последней своей работе Репперт досконально исследовал биохимические и генетические основы миграционного поведения бабочек.
Летом в тканях бабочек высокий уровень так называемого ювенильного гормона, который отвечает за смену стадий в цикле развития насекомых: яйцо-личинка-куколка-бабочка. Осенью у бабочек, которые собираются мигрировать, уровень ювенильного гормона падает. Это блокирует репродуктивное поведение, у бабочек наступает так называемая диапауза: их половые органы уменьшаются в размерах, зато в брюшке увеличиваются жировые отложения.
Бабочки летят в теплые края и при этом держат курс на юго-юго-запад. В Центральной Мексике они проводят время до весны. Весной у них кончается диапауза, бабочки пускаются в брачные полеты, образуют пары и возвращаются на север откладывать яйца, чтобы дать жизнь следующему поколению.
Первое, что хотели выяснить Стивен Репперт и его коллеги, -- связано ли миграционное поведение монархов (их способность правильно использовать солнечный компас) с уровнем ювенильного гормона в тканях и с торможением репродуктивного поведения.
Способность к размножению не мешает ориентации
Ученые сравнили поведение летних бабочек и осенних бабочек-мигрантов. Мигранты, помещенные в симулятор, держали направление на юго-юго-запад. Чтобы выяснить, играет ли тут роль репродуктивный статус, одной группе осенних мигрантов ученые ввели вещество метопрен – аналог ювенильного гормона. После этого прямо в эксперименте все самки и половина самцов пытались образовать пары. Но навигационные способности при этом не потеряли. Это показало, что ориентация прямо не связана с системой размножения.
В отличие от них летние бабочки не обладают способностью к направленному полету. Только немногие из них придерживались определенного направления, но оно не было связано с какой-то одной стороной света.
На следующем этапе исследователи провели анализ генов, работающих в мозге (головном нервном узле) бабочки-монарха во время миграции. Они взяли ткань мозга летних бабочек, осенних мигрантов и осенних мигрантов, которым ввели заменитель гормона. Кстати, вскрытие подтвердило, что между ними есть разница в репродуктивном статусе – по величине половых органов у самцов и количеству зрелых яйцеклеток у самок.
Генная карта мигрирующего мозга
Чтобы выявить все работающие гены, ученые применили метод биологических микрочипов. Они взяли всю РНК из мозга 10 летних бабочек, 10 бабочек-мигрантов, 10 мигрантов, обработанных метопреном, и 10 мигрантов, обработанных контрольным веществом. Всю РНК мозга проанализировали на микрочипах, которые содержали 9417 фрагментов нуклеиновых кислот.
В мозге летних бабочек и мигрантов по-разному работали 40 генов. Из них 14 генов больше экспрессировались у мигрантов, а 26 генов – у летних насекомых.
Среди этих генов были разные: вовлеченные в формирование клеточного скелета, в энергетический обмен клетки, в иммунный ответ, в развитие нервной системы, в синаптическую передачу и др. Два гена, по мнению ученых, более остальных определяли способность к ориентации: это ген тираминбетагидроксилазы, участвующий в двигательном поведении, и vrille – важнейший регулятор внутренних часов.
15 генов из 40 до того не были известны вообще и не значились в генной базе. Стивен Репперт полагает, что их роль может быть уникальна для миграционного поведения.
Интересно, что эти 40 генов не пересекались с генами ювенильного гормона. А вот другие 23 гена, как оказалось, по-разному были активны у бабочек с разным репродуктивным статусом, и именно они были связаны с ювенильным гормоном.
Работа Стивена Репперта – это вообще первое проведенное исследование генетической основы миграционного поведения животных. Так что полученная генетическая картина может быть использована и при работе с другими видами при изучении такого поведения. Особенно интересно, как гены обеспечивают навигацию по солнечному компасу – процесс, соединяющий воедино информацию о месте и времени.
Статья опубликована в журнале BMC Biology
