Sezonní dvojtvárnost babočky síťkované

Nejmenší z našich baboček (čeleď Nymphalidae) – babočka síťkovaná (Araschnia levana) – proslula v pozoruhodném spektru biologické literatury (např. evoluční, genetické, fyziologické, ekologické) jako klasický příklad tzv. sezonní dvojtvárnosti, jíž rozumíme odlišné zbarvení (velikost, tvar) zejména hmyzích druhů podle příslušnosti k různým generacím (v průběhu roku). V našem případě jsou motýli jarní – dubnové až květnové – generace (líhnoucí se z přezimujících diapauzujících kukel) světle narezavělí s černavě skvrnitou kresbou, zatímco jejich potomci – motýli letní generace, převážně červencové a srpnové – jsou černaví s bílými příčkami a skvrnami, a navíc zřetelně větší (viz obr. obrázek, obrázek a obrázek). Pokud se vyvine ještě (částečná) třetí generace, bývají její motýli buď tmaví, nebo jaksi „prostředního“ vzhledu, tj. načernalí s různou příměsí narezavělých šupinek (viz obr. obrázek, obrázek, obrázek a obrázek). Takto výrazné projevy sezonní dvojbarevnosti (máme-li na mysli pouze barvu motýlů) jsou u motýlů ojedinělé. Tak se stalo, že teprve po téměř 75 letech od Linnéova popisu jarní formy dokázal (r. 1829) Freyer, že nejde o dva různé druhy, nýbrž o různé generace téhož druhu. Ještě větší barevnou a kresebnou rozmanitost známe u naší proměnlivé vřetenušky Zygaena ephialtes (Linnaeus, 1767), kde však jde o polymorfizmus genů podléhající pravidlům mendelovské dědičnosti.

Zprvu převládal názor, že dvojbarevnost babočky síťkované je podmíněna rozdílnými teplotami, za nichž probíhá vývoj obou generací, a především kritické stadium kukly, že jde tedy o tzv. termomorfy, jak je lze také uměle vychovat tímto působením na kukly dalších baboček (kopřivové, pavího oka, černopláštníka, batolců) a které se – vždy naprosto ojediněle – mohou vyskytnout i v přírodě. Pokusně nelze docílit líhnutí tmavé letní formy z diapauzujících kukel (z nichž se budou líhnout světlí jarní motýli). Působením nízkých teplot na kukly nediapauzující (tmavé) letní generace se za cenu velké mortality líhnou motýli v podstatě tmaví, s různou příměsí narezavělých šupin. Proto formuloval Süffert (1924), že „primárním vývojovým modem (rozuměj: tohoto dimorfizmu) je „přeležení kukel“ (tj. z housenek kuklících se v pozdním létě), z nichž se líhne po přezimování světlá „jarní forma“.

Až r. 1955 dokázal dosud žijící saský profesor zoologie Haeckelovy univerzity v Jeně H. J. Müller, že diapauza babočky síťkované je řízena fotoperiodou (počtem hodin světla za 24 h). Obecně lze konstatovat, že světlí motýli jarní generace se líhnou z diapauzujících kukel – potomků housenek rostoucích za zkracujícího se dne minulého pozdního léta, zatímco tmaví letní motýli jsou potomky „dlouhodenní“ letní generace housenek vyrostlých za dlouhého dne.

Barevná odlišnost obou forem tím ovšem nebyla bezezbytku vysvětlena; r. 1969 však dokázal Reinhard, že teplota má jaksi „modifikující“ vliv, že působením nižších teplot na některé kukly letní generace jsou vznikající motýli tmaví, ale s podílem rezavých šupin. Takové jedince letní generace lze také občas pozorovat ve vyšších polohách, např. v Alpách, kde tato babočka stoupá až do 1 000 m n. m. Takto tepelně ovlivňované kukly letní formy s rezavým nádechem také žijí o něco déle. Působením zvýšené teploty na diapauzující kukly z pozdně letních housenek se sice vyvinou narezavělí motýli, ale podíl černé kresby je poněkud větší a motýli se líhnou o něco dříve. Hlavním faktorem dvougeneračnosti tohoto motýla je tedy různá délka dne, zatímco teplota ovlivňuje mírně délku života kukly, a zejména narezavělou příměs zbarvení černavých motýlů letní generace.

Endokrinní řízení pigmentace motýlího křídla obecně bylo poprvé dokázáno v polovině padesátých let na housence. Od té doby bylo prokázáno u řady hmyzích modelů vůbec. Roku 1985 se pokusil mladý německo-americký fyziolog P. B. Koch o hormonální řízení sezonní dvojtvárnosti babočky síťkované. Početné pokusy prováděl spájením hrudních částí kukel, tzv. parabiózou, v různých kombinacích v předpokladu, že hemolymfa kukel různých generací ovlivňuje jak počet generací v průběhu roku, tak zbarvení křídel motýlů. Zjišťoval také hladiny hmyzích hormonů (ekdysteroidů a juvenoidů) u „dlouhodenních“ a „krátkodenních“ jedinců, a možnosti jejich ovlivnění injekcemi těchto hormonů. Tak máme k dispozici rozsáhlé informace o pozoruhodných projevech tohoto jevu, jež lze shrnout takto (viz obrázek obrázek):

K Müllerovu fenoménu řízení diapauzy (a tím nepřímo i sezonní dvojtvárnosti) lze dodat, že čtvrtý instar (vývojové stadium) housenek krátkodenní formy žije průměrně o dva dny déle než tytéž housenky dlouhodenní formy a že samičí kukly vznikají průměrně o den déle než samčí.

Působením krátkého dne na tři instary housenek upadá část jejich kukel do diapauzy. Působením krátkého dne na všechna čtyři stadia upadnou téměř všechny kukly do diapauzy. Tu výjimku tvoří zhruba třetina housenek čtvrtého instaru, pokud na ně působil dlouhý den. Působíme-li dlouhým dnem na housenky méně než 30 % délky jejich života, upadají kukly z nich vzniklé do diapauzy. Při působení dlouhého dne na housenky nad 55 % délky jejich života pak kukly, z nich vzniklé, do diapauzy neupadnou. Mezi těmito dvěma mezními hodnotami lze docílit různého podílu diapauzujících a nediapauzujících kukel. V pokusných sériích, v nichž se motýli líhli z nediapauzujících kukel jen sporadicky, trvalo stadium kukly průměrně o tři dny déle a tito motýli měli větší příměs narezavělých šupin než obvyklá černobílá letní forma.

Nejcitlivější a kritický je tedy čtvrtý instar housenky, a stupňováním délky fotoperiody lze regulovat podíl diapauzujících a nediapauzujících housenek (viz schéma).

Pokud jde o hormony, stoupá hladina juvenoidů příkře až v druhé polovině života housenek 4. instaru, avšak juvenoidy nemají vliv ani na diapauzu, ani na zbarvení křídla. Hladina ekdysteroidů takto stoupá teprve u třídenních až devítidenních kukel dlouhodenní (letní) generace.

Z parabiozovaných kukel (uměle spájených) se jeden z obou motýlů líhne až o čtyři dny později. Z parabiozovaných kukel téže generace se líhnou odpovídající motýli. Při parabióze kukel diapauzujících a nediapauzujících dochází k urychlení metamorfózy v diapauzujících kuklách. Čím starší diapauzující kukly jsou užity k parabióze s nediapauzujícími kuklami (čím později jsou tedy nuceny k metamorfóze), tím více se motýli podobají světlé jarní generaci. Při parabióze nediapauzujících kukel (letní generace) s diapauzujícími, u nichž však už diapauza proběhla, se z nediapauzujících kukel líhnou černobílí letní motýli, z krátkodenních (ukončivších diapauzu) světlí jarní motýli s temnější barevnou příměsí.

Injekce ekdysteroidů do čerstvých diapauzujících kukel vede k líhnutí černobílých letních motýlů během 10 dní. Táž injekce do starších nebo pozdních diapauzujících kukel nezabrání líhnutí světlých „jarních“ motýlů, toto zesvětlení však není úplné, postihuje asi 65 % plochy křídla.

Mozek kukly (diapauzující i nediapauzující) zbarvení motýla neovlivňuje, takže injekce ekdysteroidu do kukly s vyňatým mozkem vede k líhnutí motýlů tím podobnějších jarní generaci, čím později byly kukly injikovány.

Lze tedy uzavřít, že během metamorfózy v motýla dochází ke změnám determinace v základech křídel: Místo původně černobílého zbarvení dochází k plynulému přechodu k narezavělému jarní generace. Zřejmě záleží na okamžiku přeměny v dospělce, tedy na endogenním přísunu ekdysteroidů. To lze nahradit parabiózou nebo injekcí (viz obr. obrázek). Biosyntéza ommochromů (pigmentů) křídla začne probíhat poměrně pozdě – asi pět dní po determinaci procesu v hotových šupinkách.

Řízení sezónní dvojtvárnosti babočky síťkované ekdysteroidními hormony je tedy zřejmé, ač je primárně indukováno foroperiodou a je obměnitelné zevními teplotami.

Vysoká citlivost čerstvých kukel baboček (Nymphalidae) obecně na tepelné změny trvá pouze 48 hodin po zakuklení. Další zvláštnost při vzniku kresby jejich křídla spočívá v tom, že její determinace probíhá současně s dělením buněk v epitelu. Oba tyto procesy jsou řízeny ekdysteroidy.

Tak ojediněle odchylná kresba křídel jinak (organogeneticky) zcela normální samičky letní generace babočky síťkované a její kresebné novotvary (krémově nažloutlá páska zadního křídla a bezpříkladná změna kresby rubu křídla) (obr. obrázek) nás staví před nemalý hlavolam. Logika pokusu o její výklad však vychází z těchto fakt a předpokladů:

• Až dosud byly laboratorně chovány stovky generací a vychovány statisíce jedinců tohoto motýla za experimentálních podmínek (s vlivy měnících se teplot, fotoperiody, endokrinních zásahů a jejich kombinací). Vznikající formy motýlů však jsou vesměs známé z přírody nebo jde o jejich přechody a jiné podobnosti. Přes tyto stresové faktory neexistuje jediná zmínka o takto barevně odchylném jedinci.
• Tento typ kresby se vyznačuje přesným ohraničením jejích novotvarů bez náznaků difuzí, polotónů apod. (viz obr. obrázek), jak tomu je u známých „tepelných“ forem baboček. Změna, k níž došlo, nemá tedy povahu anomální produkce pigmentů v epitelu křídla, jako spíše nějakého determinujícího faktoru. Nabízí se analogie drobné poruchy televizoru, která má dalekosáhlé následky: Obraz se rozdělí do několika pásem nebo jiných barevných novotvarů. V matematických modelech takových změn v biologických systémech se hovoří o autokatalýze, oscilaci, mozaikovitosti, a byly dokonce nalezeny kresby na ulitách mořských plžů, které těmto matematickým modelům plně odpovídají a jejich transformace mohly takto vzniknout.
• Jde tedy patrně o nějakou změnu genomu. Nezbývá než ponechat otevřenou hypotézu, zda šlo o konkrétní postih buněčné populace, tvořící kresbu křídel ve smyslu somatické mutace (všech buněk kromě pohlavních), nebo došlo-li k mutaci germinativní (linie pohlavních buněk). Neznámou zůstává existence nějakého strukturálně nebo regulačně působícího genu, který ovlivňuje kresbu křídel. Odpověď by mohl dát nález dalšího odchylného jedince v dotyčné populaci, což předpokládá její soustavné sledování.¹⁾