De biologen van Duke University hebben een complexe trek in het laboratorium geëvolueerd -- het gebruiken van de druk van selectie om tot tabak te bewegen hornworms om de dubbele trek van het draaien zwart of te evolueren groen afhankelijk van de temperatuur tijdens hun ontwikkeling.
De biologen hebben ook het fundamentele hormonale mechanisme aangetoond die aan de evolutie van dergelijke dubbele trekken ten grondslag liggen.
Hun experimenten, zeiden zij, bieden belangrijk inzicht in aan hoe de complexe trekken die vele genen impliceren abrupt in de evolutie van een organisme „kunnen tot bloei komen“.
De onderzoekers -- Professor van Biologie Frederik Nijhout en gediplomeerde student Yuichiro Suzuki -- publiceerde hun bevindingen in Wetenschap. Hun werk werd gefinancierd door de Nationale Stichting van de Wetenschap.
De complexe trekken, of „polyphenisms,“ zij bestudeerden zijn instanties waarin de dieren met de zelfde genetische make-up vrij verschillende trekken, of fenotypes, in verschillende milieu's kunnen veroorzaken. Bijvoorbeeld, genetisch kunnen zich de identieke mieren tot koninginnen, militairen, of arbeiders, volgens hun vroeg hormonaal milieu ontwikkelen. Of, de zelfde vlinder kan zeer verschillende kleuring in de winter of de zomer veronderstellen. Een soort polyphenism is ook waarschijnlijk bij het werk in zoogdieren -- bijvoorbeeld in de seizoengebonden ontwikkeling van geweitakken of veranderingen in gevederte of laagkleuren, bovengenoemde Nijhout en Suzuki.
Terwijl de biologen basismachines onderliggende polyphenisms hebben begrepen, bleef het geheim hoe dergelijke complexe trekken, die veranderingen in veelvoudige genen impliceren, konden evolueren en voortduren.
„Het is lang geweten dat polyphenisms door hormonen worden gecontroleerd, met de hersenen die milieusignalen ontdekken en het patroon van hormonale afscheidingen veranderen,“ bovengenoemde Nijhout. „Beurtelings, draaien deze hormonale patronen reeksen genen of weg aan opbrengs verschillende trekken. Nochtans, begrepen wij slechts het ontwikkelingsmechanisme, en hoe het met één enkel genoom in een dier mogelijk is om twee zeer verschillende fenotypes te veroorzaken,“ hij zei.
„Er waren theoretische modellen geweest om het evolutieve mechanisme te verklaren -- hoe de selectieve druk polyphenisms in een bevolking kan handhaven, en waarom zij niet geleidelijk aan in één vorm of een andere samenkomen,“ bovengenoemde Nijhout. „Maar niemand was ooit met species begonnen die geen polyphenism hadden en een gloednieuwe polyphenism geproduceerd. Zulk een demonstratie kon belangrijk inzicht in het evolutieve mechanisme aanbieden die aan dergelijke trekken ten grondslag liggen.“
In hun experimenten, kozen Suzuki en Nijhout species van vinger-gerangschikte tabak hornworm, sexta Manduca, die slechts groene larven normaal produceert. Omdat de verwante species, quinquemaculata Manduca, zwarte of groene larven wanneer blootgesteld aan lagere of hogere temperaturen ontwikkelt, theoretiseerden de onderzoekers dat zij temperatuurschokken konden gebruiken om een gelijkaardige polyphenism in sexta van M. te evolueren.
Suzuki en Nijhout leidden hun experimenten op een zwarte mutantvorm van sexta van M., die wegens lagere productie van een zeer belangrijk hormoon genoemd jeugdhormoon zwart is. Zij onderwierpen de zwarte mutantrupsbanden aan hitte tijdens een kritieke periode, en over veelvoud selecteerden de generaties voor twee verschillende lijnen van mutantrupsbanden. Één polyphenic lijn werd geselecteerd om verhoogde groenheid bij de thermische behandeling te tonen, en één monophenic lijn selecteerde om verminderde kleurenverandering op thermische behandeling te tonen.
Na het grootbrengen van en het selecteren van tien generaties van rupsbanden, met ongeveer 300 rupsbanden per generatie, vonden de onderzoekers dat zij, inderdaad, tot de twee verschillende spanningen hadden geleid. De polyphenic spanning zou een groene kleur bij hogere temperaturen ontwikkelen, die abrupt bij een temperatuur van ongeveer 28 graden van C. (83 graden van F.) veranderen In tegenstelling, bleef de monophenic spanning zwart bij alle temperaturen.
De onderzoekers konden deze spanningen vergelijken om de oorsprong van polyphenism te begrijpen. Hun experimenten openbaarden dat het het niveau van jeugdhormoon in de rupsbanden was die regelden of zij zwart of groen zouden worden.
Bijvoorbeeld, door een vlek van jeugddiehormoon uit een groene rupsband op een zwarte rupsband toe te passen tijdens een kritieke periode wordt gehaald, kon Suzuki een groene vlek op die rupsband produceren.
Ook, door een uiterst kleine lus rond het hoofd van een ontwikkelende rupsband aan te halen om het jeugdhormoon te verhinderen -- geproduceerd in het hoofd -- van het stromen aan de rest van het lichaam van de verwarmde polyphenic worm, kon Suzuki de rupsband verhinderen groen te worden.
Volgens Nijhout, toont de generatie van polyphenism in de rupsband een evolutief fenomeen genoemd aan „genetische aanpassing.“ In dit proces, verandert een verandering in een regelgevende weg zoals een hormonale weg het hormonale niveau om het op een drempelniveau dichter te brengen dat door milieuvariatie zou kunnen worden beïnvloed.