Sekitar satu dekade yang lalu, ahli biologi evolusi Richard Merrill akan menghabiskan beberapa jam sehari di "Panama yang panas dan beruap, " duduk di sangkar yang dipenuhi kupu - kupu Heliconius, menunggu mereka untuk berhubungan seks.
"Kedengarannya glamor, kan?" Dia tertawa.
Merrill mengetahui apakah kupu-kupu Heliconius hibrida jantan akan menggoda — dalam bentuk melayang atau mengejar — dengan kupu-kupu Heliconius melpomene rosina bersayap merah atau kupu-kupu Heliconius cydno chioneus bersayap putih. Dia mendokumentasikan pacaran kupu-kupu ini untuk mempelajari preferensi pasangan hibrida, yang kemudian dia dan timnya akan teliti pada tingkat genetik.
Di alam, kupu-kupu Heliconius hibrida jarang terjadi. Heliconius melpomene dan Heliconius cydno keduanya sangat beracun, telah berevolusi untuk menghasilkan sianida mereka sendiri, dan predator telah mempelajari dengan tepat seperti apa rupa kedua serangga beracun ini. Namun, jika kedua spesies itu kawin campur, pola sayap mereka menjadi mash-up disorientasi kedua pola warna, membuat kupu-kupu hibrida menjadi target predasi yang menonjol. Akibatnya, kehidupan hibrida sering berakhir sebelum mereka bisa berkembang biak.
Dalam sebuah makalah yang diterbitkan kemarin di jurnal PLOS Biology, Merrill dan rekan-rekannya telah mengkonfirmasi untuk pertama kalinya bahwa perilaku kawin istimewa pada kupu-kupu ini memang ditulis dalam DNA mereka. Secara khusus, timnya menemukan hanya tiga bagian genom yang mengendalikan setidaknya 60 persen perilaku pilihan pasangan.
"Ini menggambarkan bahwa perilaku kompleks seperti preferensi pasangan dapat dikaitkan dengan hanya tiga wilayah genom, " kata Erica Westerman, ahli biologi evolusi di University of Arkansas, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Ini adalah sesuatu yang diduga terkait dengan banyak area genom. Ini akan memungkinkan kami untuk mengambil pendekatan yang ditargetkan untuk melihat bagaimana gen-gen ini mempengaruhi perilaku kupu-kupu ini. "
Di sini kedua spesies— Heliconius cydno, kiri, dan Heliconius melpomene, kanan — berpasangan dengan serangga. Sangat jarang di alam liar, tetapi para ilmuwan dapat mendorong mereka untuk melakukannya di penangkaran. (Luca Livraghi) Bagaimana tepatnya kedua kupu - kupu Heliconius ini tetap merupakan spesies yang terpisah masih merupakan suatu misteri. Spesiasi, atau proses menciptakan spesies baru, mudah dijelaskan ketika ada batas geografis, seperti gunung, untuk secara fisik membagi satu spesies menjadi dua. Yang membingungkan para ilmuwan adalah bahwa H. melpomene dan H. cydno telah hidup berdampingan dalam ekosistem yang sama, bersaing untuk sumber daya yang sama, selama lebih dari satu juta tahun. Namun, kupu-kupu berwarna-warni dan beracun tetap menjadi dua spesies yang terpisah, menolak untuk kawin dan menggabungkan sifat genetik mereka.
Ini adalah demonstrasi sempurna dari konsep biologis yang disebut isolasi reproduktif, yang telah menjadikan Heliconius kupu - kupu sebagai subjek utama untuk studi evolusi selama lebih dari 100 tahun. Para ilmuwan berhipotesis bahwa isolasi reproduksi dipertahankan, dalam beberapa kasus, melalui perkawinan asortatif yang kuat, yang berarti suatu organisme hanya akan bereproduksi dengan pasangan yang mirip dengan mereka. Oleh karena itu, penghalang yang membaginya bukanlah lingkungan, melainkan genetik.
Merrill, yang sekarang berbasis di Universitas Ludwig Maximilian Munich, dan rekannya menggunakan metode yang menunjukkan area genom mana yang memiliki efek terbesar pada perilaku perkawinan, tetapi mereka tidak menunjukkan gen yang tepat. Meski begitu, analisis mereka cukup jelas untuk menunjukkan bahwa satu dari tiga wilayah yang memengaruhi preferensi kawin berada di dekat gen yang disebut optix, yang dikenal mengendalikan pola sayap merah yang semarak di H. melpomene . ( Optix memiliki pengaruh yang kuat pada warna sehingga menyalakan dan mematikannya menggunakan alat penyunting gen CRISPR dapat membuat sayap kupu-kupu sama sekali tidak berwarna). Faktanya, wilayah genetik ini hanya 1, 2 centiMorgans — yang merupakan satuan yang digunakan untuk mengukur jarak. antara gen pada kromosom — jauh dari gen optix .
Fakta bahwa string genetik yang mengendalikan preferensi pasangan sangat dekat dengan optix, gen yang menciptakan pola sayap serta beberapa isyarat visual lainnya, memiliki implikasi menarik bagi para peneliti yang mempelajari evolusi perilaku seperti preferensi perkawinan.
Seekor kupu-kupu Heliconius melpomene rosina bertumpu pada bunga. (Richard Merrill) "[Studi ini] memberikan banyak wawasan tentang bagaimana preferensi dan isyarat preferensi dihubungkan secara fisik, " kata ahli biologi evolusi, Susan Finkbeiner dari University of Chicago, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Penelitian ini mendukung gagasan "bahwa pola warna dan preferensi warna forewing untuk warna forewing tertentu terkait satu sama lain."
Jika perilaku kawin dan sifat yang disukai benar-benar terjerat secara fisik pada satu kromosom, maka keduanya akan diteruskan ke generasi berikutnya dengan mudah, mempertahankan penghalang genetik di antara kedua spesies. "Kita dapat memiliki evolusi spesies baru tanpa membangkitkan hambatan fisik, seperti laut atau gunung, " kata Merrill.
Sebuah studi kedua menunjukkan bahwa meskipun kelangsungan hidup hibrida jarang terjadi, itu terjadi cukup selama jutaan tahun terakhir bahwa kedua kupu-kupu ini berbagi materi genetik sepuluh kali lebih banyak daripada manusia dan Neanderthal. Bahkan beberapa acara kawin silang, tampaknya, dapat memiliki efek yang kuat pada genetika.
Penelitian yang dipimpin oleh ahli biologi evolusi Simon Martin dari University of Cambridge, menggunakan sekuensing genom lengkap dari sembilan populasi Heliconius untuk menunjukkan dengan tepat area DNA kupu-kupu di mana hibridisasi dan seleksi alam telah memengaruhi genetika organisme dari waktu ke waktu. Fakta bahwa spesies itu tetap sangat berbeda secara visual meskipun genom yang sangat mirip menegaskan kembali betapa kuatnya kekuatan evolusi dalam membentuk pohon kehidupan.
"Tidak hanya ada satu jalur evolusi, " kata Martin. “Ini jaringan atau web. Tetapi penelitian saya menunjukkan bahwa hal itu dapat diprediksi. Ada pola yang dapat diprediksi indah di jaringan kehidupan yang kompleks ini. ”
Pada akhirnya, hasil Martin, juga diterbitkan dalam PLOS Biologi, memperkuat temuan Merrill juga, menunjukkan bahwa kedua spesies tetap terpisah karena hambatan genetik yang kuat dalam DNA mereka yang muncul melalui seleksi alam — hambatan seperti hubungan antara optiks dan preferensi reproduksi. Ikatan antara warna sayap dan preferensi pasangan ini tidak dapat hilang bahkan pada kupu-kupu hibrida karena kedua sifat genetik tersebut saling terkait erat — bahkan mungkin didorong oleh gen yang sama. Hambatan genetik seperti itu membuat spesiasi dapat diprediksi meskipun ada bukti peristiwa hibridisasi bersejarah.
"Ada prediksi karena seleksi alam, " kata Martin. "Ini tidak hanya dalam penciptaan spesies tetapi juga dalam menentukan gen mana yang diturunkan dan yang tidak [yang] meningkatkan peran seleksi alam dalam evolusi."
Sebagai langkah selanjutnya, Merrill berharap menemukan gen yang tepat yang mendasari perilaku preferensi warna sayap ini. Dia mempertimbangkan kemungkinan menggunakan pembelajaran mesin dan kamera video untuk memungkinkan tim mengumpulkan lebih banyak data di waktu berikutnya.
"Kami mencoba mengembangkan metode untuk mengotomatisasi proses ini, " kata Merrill. Setelah tim memiliki gen khusus untuk ditargetkan, mereka dapat menggunakan CRISPR untuk melakukan studi KO dan mengamati bagaimana kupu-kupu berperilaku tanpa gen yang dianggap mengendalikan perilaku mereka.
Tanpa gen yang mengendalikan preferensi warna sayap kupu - kupu Heliconius, dua spesies yang terpisah mungkin lebih cenderung untuk kawin satu sama lain. Untuk mengetahui dengan pasti, Merrill mungkin harus kembali ke kandang kupu-kupu di Smithsonian Tropical Research Institute dan duduk dan menunggu untuk melihat apakah dia dapat menangkap tindakan serangga antarspesies. Meskipun, dia tidak keberatan.
“Tidak ada tempat lain di dunia ini yang dapat Anda lakukan untuk mempelajari ini, ” katanya.
