Kelebek Kanatlarındaki Renkler Nasıl Oluşur? Kelebeklerin Görkemli Renkleri, Karınca Mimikrisi Yoluyla Evrimleşmiş Olabilir mi?

Evrimsel biyolojide mimikri diğer bir adıyla taklitçilik, bir türün avından veya avcısından gizlenmek için diğer türe benzer özellikler geliştirmesi olarak tanımlanır. Doğada yaygın olarak karşılaştığımız mimikri örneklerinin başında canlıların birbirlerinin görünümünü taklit etmeleri gelse de koku, ses ve davranış gibi canlıların biyokimyasal özelliklerin taklit edildiği örnekler de bulunmaktadır. Daha detaylı bir şekilde Max Planck Enstitüsünde Davranış Fizyolojisi üzerine çalışan Wolfgang J. H. Wickler mimikriyi, “Taksonomik olarak yakından ilişkili olmayan iki veya daha fazla organizmanın yüzeysel benzerliği ile karakterize edilen fenomen” olarak tanımlamaktadır.

Genellikle mimikri davranışının oluşturulmasındaki amaç, taklit eden canlının, taklit edilen canlı dışında üçüncü tür bir canlıyı kandırmaktır. Bu üçüncü canlı, taklit eden türün avı veya avcısı olabileceği gibi, taklit ettiği türün dişisi veya erkeği de olabilir. Kısacası mimikri, canlının kendine zarar verebilecek diğer türleri kandırmak veya manipüle etmek amacıyla kamuflaj davranışı sergilemesi ve uyarı sinyalleri oluşturmasıdır. Doğada bu mekanizma temelde avcılara karşı bir savunma olarak geliştirilmiş olsa da avcıların da mimikri sayesinde avlarının güvende hissetmelerini sağlayarak onları kandırdıkları örnekler bulunmaktadır.

Hayvanlar, bitkiler ve mantarlar aleminde mimikrinin çeşitli örneklerini görebiliriz. Mimikrinin keşfedilen en güncel ve hayret verici örneklerinden biri ise 2017 yılında Aaron Pomerantz tarafından gözlemlenen ve bu yazıda da ele alacağımız Adelotypa annulifera kelebek türü ile Paraponera clavata karınca türü arasındaki “miromorfi” olarak adlandırılan fenomendir.

Miromorfi Fenomeni: Diğer Bir Adıyla, Karınca Taklidi!

Miromorfiya da diğer bir adıyla karınca mimikrisi, karıncaların diğer canlılar tarafından taklit edildiği bir fenomendir. Karıncalar, dünyanın her yerinde bulunan ve çok sayıda bireye sahip popülasyonlar oluşturan canlılardır. Tatsız ve saldırgan canlılar oldukları için kuşlar ve arılar gibi yiyecek arayan avcılar tarafından genellikle av olarak tercih edilmezler. Bu nedenle avcılarından saklanmak isteyen birçok canlı türü, evrimsel süreç boyunca karıncalara benzer özellikler geliştirmiş ve onları taklit etmiştir. Bunlara örnek olarak bitkiler, eklembacaklılar ve özellikle de bazı örümcek türleri verilebilir.

Karınca taklidinin yapıldığı bazı örnekleri inceleyecek olursak, en yaygın olanlardan birinin böcekler sınıfının düz kanatlılar takımından Macroxiphus sumatranus diğer bir adıyla "çalılık kriketi" olduğunu görürüz. Bu türün sergilediği mimikri çeşidi “Batesian taklidi” olarak adlandırılır. Tipik olarak çalılık kriketinde de olduğu gibi Batesian taklidi sergileyen türlerin kendilerine ait güçlü bir savunma mekanizmaları yoktur. Bu nedenle bu türlerde, karıncaların da aralarında bulunduğu bazı yırtıcılar tarafından saldırıya uğramamak için evrimsel süreç boyunca onlara benzer fiziksel özellikler evrimleşmiştir. Çalılık kriketine bakarsak, özellikle erginliğe erişmeden önceki dönemlerde karıncalarınkine benzer bir vücut yapısına, siyah bir vücut rengine ve karıncaları andıran bazı davranışlara sahip olduğunu görebiliriz. Örneğin uzun antenleri, karıncaların kısa antenlerini andıracak şekilde, dipleri siyah üst kısımları ise beyaz olarak evrimleşmiştir. Ayrıca çalılık kriketlerinin antenleri, karınca antenlerine benzer şekilde titreşir.

Karınca mimikrisi sergileyen canlılara verilebilecek bir diğer yaygın örnek ise örümceklerdir. Yaklaşık 300 örümcek türünün karınca mimikrisi sergilediği gözlemlenmiştir.

Myrmarachne plataleoides gibi bazı örümcek türleri “agresif mimikri” örneği sergiler. Agresif mimikri, avcıların avlarına başarılı bir şekilde yaklaşabilmek için diğer türleri taklit etmesidir. Bu örümcek türü, avlarını yani karıncaları avlayabilmek için evrimsel süreç boyunca onlara benzer fiziksel ve davranışsal özellikler geliştirmiştir. Fiziksel olarak Oecophylla smaragdina diğer bir adıyla Asya dokumacı karıncalarına benzemelerinin yanında erkek karınca işçilerinin birbirini taşıması gibi davranışsal taklitler de sergilerler.

Sadece hayvanlar değil, bazı bitki türleri de karınca mimikrisi sergiler. Taklitçilik, bazı bitkilerde otçul canlılara karşı görsel bir tuzak olarak geliştirilmiştir. Örneğin Passiflora çiçeklerinde karıncaların fiziksel özelliklerini taklit eden çizgiler ve benekler bulunur. Daha önce de belirttiğimiz gibi birçok avcı, karıncalar tatsız ve saldırgan canlılar olduklarından av olarak onları tercih etmez. Bu nedenle Passiflora çiçekleri de karınca desenlerini taklit ederek yırtıcı canlıları kendilerinden uzaklaştırır ve üreme organlarına zarar gelmesini engeller.

Yazının başında da söylediğimiz gibi karınca mimikrisinin keşfedilen en güncel ve hayret verici örneklerinden biri ise 2017 yılında Aaron Pomerantz tarafından gözlemlenen ve bu yazının kalanında ele alacağımız Adelotypa annulifera kelebek türü ile Paraponera clavata karınca türü arasındaki ilişkidir.

Live Science

Kelebekler ile Karıncalar Arasındaki Mutualist İlişki ve Mimikri

Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesinde hayvan davranışları üzerine çalışan genç biyolog Aaron Pomerantz, 2015 yılında hayvan davranışları üzerine detaylı araştırmalar yapabilmek için Amazon Havzası’nda yer alan Peru’ya ait bir doğa rezervi olan Tambopata Ulusal Koruma Alanına gitmiş ve yaklaşık iki senesini burada geçirerek çeşitli araştırmalar yürütmüştür. Burada çok sayıda hayvanın daha önce kaydedilmemiş davranışları üzerine incelemeler yapma şansı bulmuş ve mikrofotografik (gözle görülemeyen küçük detayları gözlemleyebilen) özelliklere sahip fotoğraf makineleriyle gördüklerini fotoğraflamıştır.

Gözlemlediği ve fotoğrafladığı davranışlardan biri, gelecekte akademik hayatını yönelteceği konu oldu: kelebeklerin sergilediği karınca mimikrisi. Araştırmaları sırasında Adelotypa annulifera türüne ait bir kelebeğin kanatlarında Paraponera clavata türüne ait karıncaların gezindiğini gözlemledi ve fotoğrafladı. Gözlemlerine devam ettiğinde Adelotypa annulifera türüne ait kelebeklerin genellikle ikişerli veya üçerli kümeler halinde bulunduğunu ve kanatlarında üç tane kırmızı halka deseni olduğunu kaydetti. Adelotypa annulifera kelebek kümelerinin bulunduğu spesifik bir bölge belirleyip her gün o bölgeye giderek bu türe ait kelebeklerin yumurtadan çıktıktan sonra, önce pupa evresine, daha sonrasında da kelebeğe dönüşümlerini izledi. Kaydettiği şeyler oldukça şaşırtıcıydı.

Adelotypa annulifera türünün de içinde bulunduğu metal işaretli kelebekler ailesindeki çoğu tırtılda, yumurtadan çıktıktan sonra avcılarından gizlenmek için iki temel mekanizma evrimleşmiştir. Bu tırtıllar ya üzerlerindeki desenlerle uyumlu parazit bitkilerle kaplanmış ağaç kovuklarında saklanır ya da Paraponera elavata gibi bazı karınca türlerinin kendilerini avcılarından korumasına izin verir. Elbette, karıncalar ve tırtıllar arasındaki bu ilişki tek taraflı değildir. Metal işaretli kelebekler ailesindeki birçok tırtıl, sırtlarında yer alan özel bir nektar organına sahiptir. Bu organ sayesinde şeker ve amino asit içeren çeşitli besleyici salgılar üretirler. Karıncalar için bu salgılar, şeker ve protein içerdiğinden dolayı kaliteli besin kaynaklarıdır. Bu sayede karıncalar tırtılların ürettiği bu salgılarla beslenirken onların da avcılarından korunmasını ve gizlenmesini sağlar. Karıncalar ve tırtıllar arasındaki bu mutualist ilişki, tırtıllar pupa evresine girip kelebeklere dönüşünceye kadar devam eder.

Live Science

Aaron Pomerantz araştırmalarına devam ettiğinde, Adelotypa annulifera türüne ait kelebeklerin kanatlarındaki üç tane kırmızı halka deseninin karınca mimikrisi yani miromorfi ile açıklanabileceğini fark etti. Kelebekler kanatlarındaki desenler sayesinde karıncaları taklit ederek onları kendi bölgelerine çeker, dolayısıyla yumurtadan çıkacak yavru tırtıllar için onları avcılarından koruyacak karıncaların da bulunduğu güvenli bir büyüme ortamı hazırlamış olur. Bu noktada şu soruları sormamız gerekir: “Kelebeklerin kanatlarındaki renkler nasıl oluşur ve bu halka benzeri desenler nasıl şekillenir?”

Kelebek Kanatlarındaki Renklerin Oluşumu

Pomerantz, kelebek kanatlarındaki renklerin ve şekillerin nasıl oluştuğunu açıklayabilmek için öncelikle kelebeklerin gen haritalarını çıkardı ve onları, türlerine göre gruplamaya çalıştı. Kelebeklerin gen haritalarında çok ufak farklılıklar olsa da beklediği gibi kelebeklerin kanatlarındaki renk ve şekillerin genomlarıyla bağlantılı olduğunu gördü. Kanatlarındaki renk ve desenlerin; kelebeklerin kamufle olup avcılardan veya avlarından gizlenmelerine, yaşadıkları ortama uyum sağlamalarına ve mimikri davranışını sergilemelerine yardımcı olduğunu ortaya koydu. Kelebek kanatlarındaki renkler kelebeklerin genleriyle ifade edilmeye başladığından beri, eşeysel seçilim ve hayatta kalma savaşı için oldukça önemli özellikler haline gelmiştir. Kelebeklerde evrimleşen bu harika mekanizma sayesinde, evrimsel biyoloji ve ekolojiye bakış açımızı geliştirebiliriz.

Kelebek kanatları, farklı boyutlardaki çok sayıda puldan oluşur. Her bir pulun içerisinde uzanan büyük bir hücre vardır. Tüm bu hücrelerin kanat boyunca düzenli ve sık bir şekilde konumlandırılması, gördüğümüz mükemmel kanat modelini yaratır. Kelebek kanatlarındaki büyüleyici renklerin oluşmasını sağlayan temelde iki mekanizma vardır.

Caters News Agency

İlk mekanizmada pigmentler, sarı ve turuncu gibi sıcak renklerin oluşmasını sağlar. Kelebekler, pigmentler aracılığıyla sıcak renkleri oluşturabilmek için ürettikleri kimyasalları pulların içerisindeki hücrelerde depolarlar. Heliconius kelebeğinin kanatlarına baktığımızda bazı pullarının koyu renklerde, bazı pullarının ise çok daha parlak renklerde olduğunu görürüz. Yapılan genetik çalışmalar kelebek kanatlarındaki koyu renkli pulların oluşumunun, cildimiz ve saçımıza benzer şekilde melanin pigmentinin oluşumunu sağlayan MC1R olarak adlandırılan bir gene bağlı olduğunu ortaya çıkardı. Sarı ve turuncu gibi daha parlak renkler ise ommochrome olarak adlandırılan, böceklerde ve kabuklularda bulunan bir pigment tarafından üretilir.

Ancak farklı türlerde kelebekleri gözlemlediğimizde, Morpho kelebekleri gibi bazı kelebek türlerinin kanatlarında sıcak renkler dışında mavi ve mor gibi soğuk metalik renklerin de olduğunu görürüz. Bu renklerin oluşumunda ise pigmentler değil, ikinci bir mekanizma olan yapısal renklendirme etkilidir. Yapısal renklendirmede ışık, pullar içerisindeki çok küçük yapılara çarpar ve mavi dalga boyunda bu yapılardan geri yansır. Bu mekanizmayı bir prizmadan çıkan gökkuşağına benzetebiliriz. Işık prizmaya girer ve farklı dalga boylarında kırılarak prizmadan çıkar. Morpho kelebekleri gibi bazı türler nanoyapılar üreterek ışığın bu özelliğinden faydalanır ve mavi-mor renkleri oluşturabilir.

Videoda, Morpho kelebeğinin kanadına bir damla alkol damlatıldığında oluşan değişiklikler gösterilmektedir. Morpho kelebeğinin kanatlarına alkol damlattığımızda alkolün kanatlardaki nano yapılarla etkileşime girmesi ve yansıyan dalga boyunu değiştirmesi sonucunda kelebek kanatlarının renk değiştirmeye başladığını görürüz. Morpho kelebeklerinin kanatları, normalde mavi dalga boyundaki ışığı yansıtması nedeniyle mavi görünürken, alkol damlatıldığında yeşil dalga boyundaki ışığı yansıtmaya ve yeşil görünmeye başlar. Bir süre sonra alkol buharlaşıp etkisi kaybolduğunda ise kanatların rengi yeşilden tekrar maviye döner. Bu renk değişiminin oluşmasında, ikinci mekanizma olarak bahsettiğimiz fiziksel bir süreç olan yapısal renklendirme etkilidir.

Aaron Pomerantz ve Laboratuvarındaki Çalışmalar

Şu anda Aaron Pomerantz ve ekibi, Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesinde kelebek kanatlarındaki renklerin oluşumunda etkili mekanizmanın temelindeki bazı sorulara cevap arıyor. Temel sorulardan bazıları şunlardır:

• “Sentetik bir kelebek kanadını nasıl üretebiliriz?”
• “Kelebek kanatlarındaki pulları nasıl üretebiliriz?”
• “Yapısal renklendirmeyi sağlayan nano yapıları nasıl üretebiliriz?”

Pomerantz ve ekibinin üzerinde çalıştıkları model organizmalardan biri Buckeye kelebekleridir. Adlarından da anlaşılabileceği gibi bu kelebeklerin kanatlarında göze benzeyen lekeler vardır. Hatta bazı kolonilerdeki kelebeklerin kanatlarında göze benzeyen lekelerin yanında büyüleyici mavi desenlerin de olduğunu görürüz. Daha önce de değindiğimiz gibi bu renklerden bazıları pigmentler tarafından, bazıları ise yapısal renklendirmeyle oluşturulur.

Pomerantz, kelebek kanatlarının gelişimini ve renklerinin oluşumunu anlayabilmemiz için bir kelebeğin tüm yaşam evrelerini incelememiz gerektiğini söylüyor. Tırtılın yumurtadan çıkıp pupaya girene kadar ve sonrasında pupadan çıkıp görkemli bir kelebek olana kadar geçirdiği tüm evreler kanat gelişimi hakkında ipuçları içerse de kelebek kanatlarının şekillendiği ve büyüleyici renklerine kavuştuğu asıl evre pupa evresidir. Dolayısıyla renklerin oluşumunu anlayabilmek için yaklaşık 10-15 gün süren pupa evresini detaylı bir şekilde incelememiz gerekir. Ancak bu noktada bir sorunla karşılaşıyoruz. Kelebekler pupa evresindeyken kitinden oluşan dış çeper nedeniyle pupanın içini göremeyiz ve dolayısıyla kanatlarının gelişimini de gözlemleyemeyiz. Bu sorunla karşılaşan Pomerantz ve ekibi, kelebekler pupa evresindeyken pupa içerisindeki kanat gelişimini gözlemlemeyi sağlayacak bir görüntüleme tekniği geliştirdi.

Kelebek Pupalarının İçini Görmemizi Sağlayan Görüntüleme Tekniği

Kelebek kanatları; kelebekler pupaya girmeden önce, henüz tırtıl evresindeyken oluşmaya başlar. Tırtıl evresindeki kelebek kanatları, hayali disk olarak adlandırılan küçük bir hücre yumağıdır. Tırtıl pupaya girdikten sonra yaklaşık üç gün içerisinde kelebek kanatları belirmeye başlar. Pomerantz ve ekibi, üçüncü güne kadar kanatların hâlâ hücre yumağı olarak bulunmasından yararlanarak hassas bir operasyonla pupa içerisine girdi ve kitin çeperin hemen altında bulunan ön kanadı oluşturacak hücre parçalarını çıkardı. Çıkardıkları hücre parçaları sayesinde pupanın büyümesiyle birlikte genişleyecek ve pupanın içerisindeki arka kanadın gelişimini gözlemlemeye olanak sağlayacak bir pencere açmış oldular. Daha sonra çeperinde ufak bir pencere açtıkları pupayı hızlı çekim teknikleri bulunan kameraya sahip bir mikroskobun altına koyarak her yirmi dakikada bir fotoğrafladılar.

Kelebeklerde kanat oluşumu, türe bağlı olarak farklılıklar gösterse de, yaklaşık 8 gün sürer. Videoda da gördüğümüz gibi pupa içerisindeki kanatlar zamanla hareketlenir ve genişlemeye başlar. Biraz daha zaman geçince kanatlar şekillenir ve pulların içerisinde biriken proteinler nedeniyle opaklaşır. En sonunda ise kanatlar üzerinde, göz lekesi gibi desenler ve melanin pigmentinin ürettiği sıcak renkler oluşur. Sonuç olarak anlattıklarımızdan da anlaşılabileceği gibi kelebek kanatlarının oluşumu oldukça dinamik bir süreçtir.

Gelecek Çalışmalar

Günümüzde, kelebek kanatlarının oluşumu hakkında 2017 ve öncesine göre çok daha fazla şey biliyor olsak da hâlâ temelde yatan ve henüz cevaplanamayan çok sayıda soru vardır. Bu konuda gelecekte yapılacak olan çalışmalar bu soruları cevaplamak üzerine olacaktır. Bilim insanlarının cevaplarını aradığı sorulardan bazıları şunlardır:

• “Pigmentler, kanatlar üzerindeki pullarda nasıl biriktirilir?”
• “İkinci mekanizma olan yapısal renklendirme ile renkler nasıl oluşturulmaktadır?
• “Kelebeklerin genomlarını inceleyerek sergiledikleri karınca mimikrisinin evrimsel sürecini nasıl öğrenebiliriz?”
• “CRISPR/Cas9 sayesinde kelebek kanatlarındaki renklerin evrimsel süreç boyunca kelebeklerin genomunda nasıl ifade edildiğini açıklayabilir miyiz?”