Fluturii au un avantaj vizual neașteptat. Ce au descoperit cercetătorii despre evoluția ochilor și a creierului. Foto: AI Fluturii au o capacitate vizuală impresionantă, care îi ajută să găsească florile și să recunoască alți membri ai speciei. Aceste insecte pot percepe inclusiv lumina ultravioletă, invizibilă pentru ochiul uman. Acum, cercetătorii au identificat un mecanism genetic care ar putea explica modul în care fluturii au dobândit un avantaj important: o celulă suplimentară sensibilă la lumină în fiecare unitate a ochilor lor compuși. Studiul a fost realizat de o echipă de la Universitatea din California, San Diego. Cercetătorii au identificat modificări genetice implicate în dezvoltarea acestei structuri și au reușit să reproducă o parte din proces la musculițele de oțet. În urma experimentului, unele dintre aceste insecte au dezvoltat unități vizuale cu nouă fotoreceptori, în loc de opt, câți au în mod obișnuit. Descoperirea a scos la iveală și un aspect neașteptat. Creierul musculițelor a reușit să conecteze noile celule vizuale la neuroni care, în mod normal, ar fi dispărut în timpul dezvoltării. Rezultatele sugerează că evoluția poate crea noi capacități senzoriale folosind structuri deja existente, fără ca întregul sistem nervos să fie nevoit să se transforme. De ce ochii fluturilor sunt diferiți de cei ai altor insecte Majoritatea insectelor au ochi compuși, formați din numeroase unități vizuale minuscule, numite omatidii. Fiecare dintre acestea conține celule specializate în detectarea luminii, care contribuie la formarea imaginii percepute de insectă, conform celor de la earth.com. La musculițele de oțet, fiecare unitate vizuală are, în mod obișnuit, opt celule sensibile la lumină. În cazul fluturilor, numărul ajunge la nouă. Această celulă suplimentară contribuie la diversificarea semnalelor vizuale pe care insectele le pot detecta și compara. Fluturii pot percepe diferite combinații de lumină albastră și ultravioletă. Aceste informații sunt importante în mediul natural. Ele îi pot ajuta să identifice florile și să distingă alte exemplare ale speciei, inclusiv potențiali parteneri. Citește și: Genomurile a 1.000 de specii de fluturi și molii au fost analizate. Ce au descoperit cercetătorii? Profesorul Michael Perry, unul dintre cercetătorii implicați în studiu, a explicat că această modificare reprezintă o abatere importantă de la structura ochilor întâlnită la numeroase insecte de-a lungul evoluției. Echipa a identificat un mecanism genetic care a contribuit la apariția fotoreceptorului suplimentar. Cercetătorii au analizat dezvoltarea ochilor fluturilor Pentru a înțelege cum apare această celulă în plus, oamenii de știință au studiat fluturi din specia Vanessa cardui, cunoscuți și sub numele de fluturi-de-scai. Echipa a examinat 16 retine aflate în diferite etape de dezvoltare. Retina este țesutul sensibil la lumină din interiorul ochiului. În timpul dezvoltării, celulele sale urmează anumite instrucțiuni genetice, care le determină forma și funcția. Cercetătorii au urmărit genele active în retina fluturilor și au comparat rezultatele cu informațiile obținute din studiul musculițelor de oțet. Analiza a arătat că anumite celule ale fluturilor urmează un program de dezvoltare diferit de cel întâlnit la insectele folosite pentru comparație. Nu era vorba despre apariția unui mecanism complet nou. Mai degrabă, unele celule au început să urmeze un traseu diferit față de cel obișnuit. Această schimbare a contribuit la formarea unei celule suplimentare, specializate în detectarea culorilor. Gena Lozenge are un rol important Unul dintre elementele centrale ale descoperirii este gena numită Lozenge, implicată în dezvoltarea ochilor fluturilor. Pentru a-i verifica rolul, cercetătorii au folosit tehnologia de editare genetică CRISPR. Aceștia au dezactivat gena și au urmărit efectele asupra celulelor sensibile la culoare. Rezultatele au arătat că, atunci când Lozenge nu funcționa normal, perechea obișnuită de celule implicate în percepția culorilor nu se mai forma corespunzător. Alte gene analizate nu au produs un efect la fel de puternic. Acest lucru a indicat că Lozenge este o componentă importantă a mecanismului prin care se dezvoltă structura vizuală particulară a fluturilor. Musculițele de oțet au dezvoltat ochi asemănători cu cei ai fluturilor După identificarea mecanismului genetic, cercetătorii au încercat să reproducă o parte din proces la musculițele de oțet. Pentru aceasta, au modificat două semnale genetice care controlează dezvoltarea ochilor. Unul era legat de gena Lozenge, iar celălalt implica sistemul de comunicare celulară Notch. Împreună, aceste modificări au schimbat modul în care se dezvoltau anumite celule vizuale. Unele unități ale ochilor au ajuns să aibă nouă fotoreceptori, în loc de opt. De asemenea, au apărut două celule importante pentru detectarea culorilor, în loc de una. Cercetătorii au numit aceste insecte „butterfly-flies”, un termen care sugerează combinația dintre musculițele de oțet și caracteristicile vizuale întâlnite la fluturi. foto: magnific.com Totuși, ochii modificați nu au devenit copii perfecte ale celor de fluture. Unele unități vizuale și-au păstrat structura obișnuită, în timp ce altele au prezentat aranjamente diferite. Experimentul a demonstrat însă că modificarea unui număr limitat de semnale genetice poate produce schimbări importante în organizarea ochiului. Mai multe celule pot crea combinații vizuale diferite Prezența a două celule sensibile la culoare oferă mai multe posibilități de organizare. Fiecare dintre ele se poate dezvolta în unul dintre două tipuri de bază. Atunci când există o singură celulă, sunt posibile două variante. În cazul a două celule, apar trei combinații: ambele pot aparține aceluiași tip, ambele pot fi de celălalt tip sau fiecare poate aparține unui tip diferit. La musculițele modificate au fost observate toate cele trei aranjamente. Aceste rezultate sunt importante deoarece și ochii fluturilor folosesc combinații diferite de celule fotosensibile, ceea ce contribuie la diversitatea semnalelor vizuale. Citește și: Descoperire spectaculoasă în Angola: 8 specii noi de libelule, zeci de fluturi necunoscuți și un păianjen care strălucește sub lumină ultravioletă VIDEO Cu toate acestea, cercetătorii nu au demonstrat că musculițele modificate pot distinge efectiv mai multe culori. Experimentul a urmărit structura ochilor, nu capacitatea insectelor de a face diferențe mai fine între culori în situații reale. Creierul avea deja neuroni care puteau fi folosiți Apariția unei celule vizuale suplimentare ridică o întrebare importantă: cum ajung semnalele sale la creier? În mod normal, celulele sensibile la lumină trebuie să se conecteze la neuroni care transmit informațiile vizuale. O nouă celulă în ochi ar putea părea inutilă dacă sistemul nervos nu ar avea structurile necesare pentru a-i prelua semnalele. Cercetătorii au descoperit însă că dezvoltarea creierului oferă o posibilă soluție. În timpul formării sistemului vizual, musculițele de oțet produc mai mulți neuroni decât păstrează în cele din urmă. Unii stabilesc conexiuni potrivite și supraviețuiesc, în timp ce alții sunt eliminați dacă nu găsesc parteneri adecvați. După ce au introdus celule vizuale suplimentare, cercetătorii au observat că mai mulți dintre acești neuroni au supraviețuit. Musculițele modificate au păstrat cu 32% mai mulți neuroni din categoria analizată decât insectele obișnuite. Comparația a inclus șapte creiere normale și zece creiere modificate, astfel că rezultatele trebuie interpretate ținând cont de dimensiunea relativ redusă a eșantionului. Echipa a constatat și că noile celule vizuale s-au conectat la tipurile corespunzătoare de neuroni, nu la celule alese la întâmplare. Cu alte cuvinte, creierul a putut integra noile semnale folosind neuroni pe care îi producea deja. Ce ne spune descoperirea despre evoluție Rezultatele sugerează că apariția unei noi capacități senzoriale nu presupune întotdeauna transformarea simultană a tuturor componentelor implicate. În acest caz, ochiul a dobândit o celulă suplimentară, iar creierul a folosit neuroni existenți pentru a prelua noile informații. O posibilă comparație vine de la molia Manduca sexta. În partea inferioară a ochilor acesteia, fiecare unitate vizuală conține două celule implicate în detectarea culorilor, în timp ce în partea superioară există, de regulă, una singură. Această diferență arată că mai multe configurații pot exista în cadrul aceluiași ochi, fără să demonstreze însă că fluturii au evoluat prin exact același mecanism. Cercetătorii nu știu încă dacă musculițele modificate pot percepe mai multe culori. Studiul arată însă că sistemul nervos poate fi pregătit să integreze noi informații senzoriale înainte ca acestea să apară. Cercetarea, publicată în revista științifică Science Advances, oferă astfel un exemplu concret despre cum evoluția poate reutiliza structuri deja existente pentru a dezvolta funcții noi.