Kako su se organizmi na planeti Zemlji diverzifikovali, neke grane drveta života postale su izuzetno raznolike, druge daleko manje. Drugi su ipak izumrli. Zašto je evolucija favorizovala određene grupe u odnosu na druge je dugotrajno pitanje u evolucionoj nauci.
Bube su poster dete evolucionog uspeha: poznato je oko 400.000 vrsta — oko četvrtine svih opisanih oblika života — i potencijalno stotine hiljada drugih čeka na otkriće. Lepota i raznolikost buba očarali su mladog Čarlsa Darvina i bili su tinejdžerska fascinacija Alfreda Rasela Volasa, ko-otkrivača evolucije prirodnom selekcijom.
Ali zašto ima toliko buba? Jedno široko rasprostranjeno mišljenje je da su bube stekle ekološku prednost razvijanjem elitra, očvrsle strukture nalik štitu koje štite krila leta, omogućavajući im da žive u mnogim različitim nišama kojima drugi insekti ne mogu pristupiti. Druga hipoteza je da su bube ko-evoluirale sa cvetnim biljkama. Kako su se ove biljke diverzifikovale, tako su se i bube koje se hrane njima.
Ipak, obe ove ideje ne uspevaju da objasne najveću grupu buba od svih – bube lutalice (Staphilinidae), rasprostranjenu radijaciju od preko 66.000 vrsta – ne samo najveću porodicu buba, već najveću porodicu u celom životinjskom carstvu. Rove bube su enigma: izgleda da su i napustile snažno zaštitne elitre i uglavnom su grabežljive umesto da se hrane biljkama. Ipak, eksplodirali su širom Zemljine biosfere, zahvativši svaku zemaljsku nišu koja se može zamisliti u poslednjih 200 miliona godina.
Ono što je dovelo do ovog izvanrednog uspeha je fokus nove studije istraživača u laboratoriji Joea Parkera, docenta biologije i biološkog inženjeringa, Chen Scholar-a i direktora Caltech-ovog Centra za evolucionu nauku. Predvođena bivšom postdoktorandom Šilom Kičen, studija, koja se pojavila na mreži 17. juna u časopisu Cell, ukazuje na evoluciju dva tipa ćelija koje formiraju hemijsku odbrambenu žlezdu unutar tela ovih buba kao katalizator njihovog globalnog zračenja.
2021. godine, istraživači u laboratoriji Parker proučavali su žlezdu u bubama zvanu „tergalna žlezda“, strukturu na vrhu njihovih fleksibilnih abdomena. Tim je pokazao kako se tergalna žlezda sastoji od dva jedinstvena tipa ćelija: jedna koja stvara toksična jedinjenja koja se zovu benzohinoni, a druga koja pravi tečnu smešu (ili rastvarač) u koju se benzohinoni rastvaraju, stvarajući moćan koktel koji buba ispušta na predatori.
U novom radu, Kitchen, Parker i njihovi saradnici sastavili su čitave genome iz raznolikog skupa vrsta koje obuhvataju evoluciono stablo buba, i analizirali gene izražene sa dva tipa ćelija žlezde. To im je omogućilo da otkriju drevni genetski alat koji je evoluirao pre više od 100 miliona godina, opremivši ove insekte njihovom moćnom hemijskom odbranom.
„Sastavljajući genome, bili smo zapanjeni koliko je slična genetska arhitektura žlezde u ovoj masivnoj grupi buba“, kaže Kitchen, koja je sada docent na Teksaškom A&M univerzitetu. „Kada smo počeli da gledamo određene porodice gena, pronašli smo stotine drevnih gena koji su pronašli nove funkcije unutar žlezde, i mali, ali suštinski skup evoluciono novih gena.
„Ovi novi geni su bili ključni za bubašvabe koje su razvile svoju neverovatnu hemiju. Pričanje ove priče omogućio je naš fantastični interdisciplinarni tim evolucionih biologa, hemijskih ekologa, biohemičara proteina i mikroskopista.“
Ponavljajući molekularne korake u evoluciji žlezda, tim je identifikovao veliku evolucionu inovaciju u načinu na koji su bube evoluirale kako bi bezbedno proizvele otrovne benzohinone. Otkrili su da bube lutalice pogađaju mehanizam lučenja toksina koji je zapanjujuće sličan načinu na koji biljke kontrolišu oslobađanje hemijskih jedinjenja koja odvraćaju biljojede. Oni vezuju toksin za molekul šećera, čineći ga neaktivnim, a zatim cepaju toksin iz šećera samo kada se hemikalija bezbedno izlučuje izvan sopstvenih ćelija bube.
„Prilično je neverovatno da su hemijski zaštićene bube spojile skoro isti ćelijski mehanizam kao i biljke da se ne truju sopstvenim gadnim hemikalijama“, kaže Parker.
Ovaj mehanizam je evoluirao u ranoj kredi; nakon što su ga evoluirali, bube su počele da zrače u desetine ili možda stotine hiljada vrsta. „To je arhetipska ključna inovacija. Jednom kada su došli do ovog rešenja, ono im je zaista zauzelo mesta, evolucionistički gledano“, kaže Parker. Srodne loze buba lutalica kojima nedostaje žlezda nisu imale istu evolucionu diversifikaciju, brojeći samo desetine do stotine vrsta.
Istražujući hemiju različitih vrsta, istraživači su otkrili da su, što je neverovatno, dok su dva tipa ćelija koje čine žlezdu uglavnom ostala ista, hemikalije koje proizvode mogu dramatično da evoluiraju, prilagođavajući bube-rove različitim ekološkim nišama. O žlezdi se može razmišljati kao o nekoj vrsti hemijske laboratorije u kojoj vrsta buba može da sintetiše jedinjenja potrebna za život u novim sredinama.
Na primer, jedna grupa buba rove je evoluirala da bi lovila grinje i prenamenila žlezdu da luči seksualne feromone grinja; drugi živi u kolonijama mrava i proizvodi hemikalije koje pacifikuju inače veoma agresivne mrave radnike, omogućavajući bubama da žive u simbiozi sa mravima, pa čak i da ih plene.
„Tergalna žlezda buba je ovaj neverovatan uređaj koji se može reprogramirati za pravljenje novih hemija i razvoj novih interakcija“, kaže Parker. „To je omogućilo ovim bubama da postignu ekstremne oblike ekološke specijalizacije. Bez žlezde ne bi bilo ulaska u čudne i divne niše koje su ove bube pronašle.“
Ironično, tim je otkrio da je u jednoj grupi buba, žlezda bila višak u odnosu na potrebe. Prema Kitchenu, „Očigledno, kada ste dovoljno dugo živeli u vojnoj koloniji mrava od miliona agresivnih mrava, više vam nije potrebna žlezda.
„Otkrili smo da su bube koje su uspele da prevare mrave da ih prihvate u svoje društvo izgubile svoje žlezde tokom evolucije. Njihovi geni alata za žlezde su akumulirali mnogo inaktivirajućih mutacija. Kolonija mrava je zastrašujuće mesto za većinu vrsta, ali za ove bube to je tvrđava bez opasnosti — umesto toga su naveli mrave da ih zaštite.“
Nova studija naglašava kako evolucione promene na ćelijskom nivou mogu imati velike, dugoročne posledice po ekološku i evolucionu diversifikaciju. U ovom slučaju, doprinosi neumerenoj naklonosti prirode prema bubama.
