Heading

Introduction

Melanisme in de pepermot Biston betularia leidde tot de vroegste metingen van natuurlijke selectie op een Mendeliaanse locus in het wild . Snelle negentiende eeuwse toenames in melanisme, gevolgd door meer recente afnames vonden plaats in de pas met veranderende patronen van industrialisatie in Groot-Brittannië en elders . De melanische “carbonaria” vorm vererft via een dominant allel, C, op een enkele locus. Het recessieve c-allel bepaalt de niet-melane zwart-witte ‘typica’-vorm, terwijl de intermediaire melanische ‘insularia’-allelen, geërfd op dezelfde locus, dominant zijn voor typica en recessief voor carbonaria. Insularia-vormen namen ook toe, enigszins variabel, tijdens de industrialisatie. Onlangs is deze locus in kaart gebracht en gekloond; het patroon van genetische variatie in de genomische regio waar de C locus zich bevindt, suggereert een snelle selectieve veeg rond een enkele mutatie oorsprong van melanisme.

Melanisme werd lang verondersteld voordelig te zijn in het licht van vogelpredatie tegen door roetvervuiling verduisterde schors rustplaatsen , een vorm van camouflage. Klassieke experimenten in het midden van de twintigste eeuw bewezen dat vogels de motten aanvielen. Bovendien waren rustende motten die er niet in slaagden hun achtergrond te evenaren kwetsbaarder voor vogelpredatie in kooi-experimenten . De hypothese dat vogels de oorzaak waren van de selectie op melanisme werd ondersteund door herhalingsstudies met levende motten, evenals door vele predatie-experimenten met dode motten die op boomstammen waren vastgepind.

Deze procedures hebben echter nadelen, en er werd steeds meer kritiek geuit. In experimenten werden motten vaak op boomstammen geplaatst, die als abnormale rustplaatsen werden beschouwd; vastgepinde karkassen leken bijzonder onnatuurlijk. Motten werden vaak losgelaten bij sterk verhoogde dichtheden, waardoor mogelijk de predatie toenam. Gekweekte insecten van geografisch afgelegen bronnen werden vaak gebruikt om wilde individuen aan te vullen, en ze gedroegen zich misschien niet zo natuurlijk als wilde motten in experimenten waarbij ze opnieuw gevangen werden. Tegen de jaren negentig werd de scepsis groot. Andere factoren dan predatie door vogels (b.v. migratie, fysiologische verschillen tussen genotypes) zouden een belangrijke rol hebben gespeeld in de evolutie van melanisme bij Biston. Caveats over de predatie-experimenten die in het boek van Majerus werden besproken, kritieken van andere biologen, evenals punten die bijzonder krachtig naar voren werden gebracht in een recensie van het boek van Majerus, werden al snel door niet-wetenschappers uitgebuit om een anti-evolutie agenda te bevorderen en de predatie verklaring te denigreren. Van Kettlewell’s oorspronkelijke mark-recapture experimenten werd later beweerd dat ze frauduleus waren (geheel ten onrechte: zie ). Judith Hooper, auteur van deze bewering, suggereerde ook dat vleermuizen in plaats van vogels de agenten van selectie zouden kunnen zijn . Al snel begonnen zowel het grote publiek als zelfs evolutiebiologen te twijfelen aan het predatieverhaal van vogels (elektronisch aanvullend materiaal, S1 ).

Majerus besloot daarom belangrijke nieuwe veldwaarnemingen te doen, en hij ontwierp en voerde ook een grootschalig nieuw predatie-experiment uit, het grootste predatie-experiment dat ooit is uitgevoerd (4864 uitgezette motten) om zijn eigen en andere kritiek op eerder werk te beantwoorden . Bovendien, om het mogelijke effect van vleermuis predatie te onderzoeken, liet Majerus levende motten los in nachtexperimenten op meerdere locaties: hij vond geen significante verschillen in predatie van 419 melanische en typische motten gegeten door drie soorten pipistrelle vleermuizen.

Deze resultaten werden allemaal gepresenteerd door Majerus in een keynote toespraak op het ESEB Congres, Uppsala, in augustus 2007. Helaas overleed Majerus na een kort ziekbed in 2009 voordat hij de rustplaatswaarnemingen en predatieresultaten had gepubliceerd. De informatie uit de toespraak in Uppsala, die de basis vormt voor de huidige analyse, werd echter kort daarna door Majerus vrij beschikbaar gesteld op het internet als een reeks geprojecteerde dia’s. We hebben de huidige samenwerking gevormd om deze resultaten te analyseren en voor het eerst in druk te verspreiden, en ook om het belang van deze belangrijke resultaten voor ons begrip van natuurlijke selectie in het wild te verduidelijken.

Materiaal en methoden

Experimenteel en observationeel werk dat hier wordt gepresenteerd, werd uitgevoerd door Michael Majerus in een landelijke tuin van 1 ha, in Springfield, bij Coton, Cambridgeshire, UK. De volledige methoden werden gepubliceerd in een weinig bekend hoofdstuk; relevante uittreksels worden hier gegeven (elektronisch aanvullend materiaal, S2). Originele bronbestanden van zijn presentatie in 2007, die de hier geanalyseerde resultaten bevatten, zijn te vinden op http://dx.doi.org/10.5061/dryad.962262h9. In gevallen waar numerieke gegevens niet werden verstrekt in deze bestanden, hebben we de resultaten uitgedrukt in termen vergelijkbaar met die gebruikt door Majerus in de 2007 documenten.

(a) Natuurlijke rustplaatsen

Tijdens het beklimmen van bomen in de experimentele site om hulzen op te zetten voor het predatie-experiment (zie hieronder), onderzocht Majerus systematisch stammen, takken en twijgen van een beperkte set bomen en registreerde de natuurlijke rustplaatsen van alle wilde nachtvlinders die hij vond. De 135 waarnemingen die hij hier verkreeg vormen een aanzienlijke aanvulling op de minder uitgebreide gegevens over rustplaatsen die eerder werden gepubliceerd.

(b) Predatie-experiment

Het doel van het nieuwe experiment van Majerus was het schatten van de relatieve overleving van lokale melanische en niet-melanische nachtvlinders bij lage, naturalistische dichtheden. Motten (melanische carbonaria en niet-melanische typica; er werden geen insularia-morfpen gebruikt) werden daarom losgelaten op substraten waarvan Majerus zelf had aangetoond dat ze normaal waren voor de soort. Er werden morfosen uitgezet met frequenties die dicht lagen bij de frequenties die waren geschat op basis van vangsten in het voorgaande jaar in Madingley, bij Cambridge. (Deze Madingley frequenties zijn door ons geïnterpoleerd uit een grafiek die door Majerus in zijn presentatie in 2007 werd verstrekt; zie tabel 2, kolom 2).

Er werden in totaal 4864 pepervlinders uitgezet tijdens de natuurlijke uitvliegseizoenen over een periode van 6 jaar. Elke nacht werd één mot losgelaten in elk van de 12 gaashulzen rond een willekeurig gekozen tak uit de 103 (in 2007 teruggebracht tot 97) voor de studie gebruikte takken. De hulzen en de motten die erop rustten werden voor zonsopgang verwijderd, en de posities van de motten die ongestoord op de schors bleven werden genoteerd. De gemiddelde losvlinderdichtheid bedroeg minder dan 10 motten ha-1 nacht-1. Nachtvlinders die 4 uur na zonsopgang niet op hun rustplaats aanwezig waren, werden verondersteld door roofdieren te zijn opgegeten, aangezien ze overdag zelden wegvliegen, tenzij ze erg worden gestoord. Van de verdwenen motten werd via binoculaire waarnemingen gezien dat ongeveer 26% door vogels werd opgegeten. Voor meer details, zie elektronisch aanvullend materiaal, S2 en de studie van Majerus.

(c) Statistische analyse van het predatie-experiment

Data van het predatie-experiment (tabel 2, kolommen 4-6) werden verstrekt als een drie-weg contingentie tabel. De aantallen carbonaria en typica die jaarlijks werden uitgezet, lagen vast in de proefopzet. Dergelijke niet-standaard contingentietabellen zijn gemakkelijk te hanteren met log-lineaire modellen. Maximum-likelihood waarden van parameters van niet-selectieve en selectieve predatiesnelheden werden geschat gegeven de veronderstellingen van homogeniteit of heterogeniteit van effecten tussen jaren, en likelihood-ratio tests werden uitgevoerd om modellen van verschillende hiërarchische complexiteit te testen. Hoewel eenvoudige contingentietabel analyse waarschijnlijk meer vertrouwd is, was niet-selectieve predatie heterogeen over de jaren heen, en een meer complexe analyse die rekening houdt met de heterogeniteit was nodig (zie elektronisch aanvullend materiaal, S3).

Resultaten

(a) Natuurlijke rustplaatsen

Majerus had al aangetoond dat sommige nachtvlinders normaal rusten op boomstammen gedurende de dag . Zijn recente uitgebreide observaties van rustplaatsen, verkregen tijdens het beklimmen van de bomen in zijn tuin om het predatie-experiment op te zetten, lijken verloren te zijn gegaan, maar hij vatte het werk samen in zijn 2007 Uppsala presentatie (http://dx.doi.org/10.5061/dryad.962262h9). Een geannoteerde versie van deze samenvatting wordt hier gepresenteerd. Majerus rapporteerde de volgende hoofdkenmerken (tabel 1):

– De meerderheid (52%) van de motten rust op zijtakken.

– Van de motten op zijtakken rust de meerderheid (89%) op de onderste helft van de tak.

– Een aanzienlijk deel van de nachtvlinders (35%) rust op boomstammen.

– Van de nachtvlinders die op een boomstam zitten, zit het merendeel (87%) op de noordelijke, en niet op de zuidelijke helft.

– Een minderheid van de nachtvlinders (13%) zit onder of tussen de twijgen.

– Er waren geen significante verschillen in de rustplaatsen van mannetjes en vrouwtjes (χ2 ≈ -2Δln L = 0,33, 2 d.f.).

– Er waren geen significante verschillen in de rustplaatsen die werden gebruikt door typica (niet-melanisch), carbonaria (volledig melanisch) of insularia (intermediair melanisch) vormen (numerieke gegevens niet beschikbaar).

De bevindingen over de oriëntatie van de rustpositie suggereren het vermijden van blootstelling aan de zon, terwijl ook wordt geverifieerd dat een redelijk groot deel van de motten rust op de stammen van bomen, evenals in het bladerdak.

Opgemerkt zij dat deze waarnemingen betrekking hadden op wilde nachtvlinders die geen deel uitmaakten van het predatie-experiment.

(b) Predatie-experiment

In Majerus’ nieuwe predatie-experiment op een onvervuild terrein verdwenen significant meer vrijgelaten melanica dan niet-melanica, of werden opgegeten door negen vogelsoorten (figuur 1 en tabel 2). Deze lagere fitness van melanics wordt verwacht als de waargenomen afname in melanisme (tabel 2) wordt verklaard door visuele predatie.

De volledige statistische analyse (elektronisch aanvullend materiaal, S3) toont het volgende aan:

– sterke aanwijzingen voor heterogeniteit in de niet-selectieve fractie die van beide morphs in de loop der jaren werd gegeten (p < 0.001), maar

– geen significante variatie in de selectief gegeten fractie over de jaren heen, en

– sterke aanwijzingen voor algemene selectie tegen de melanische vorm (p = 0.003), rekening houdend met de heterogeniteit van jaar tot jaar in de niet-selectieve fractie die wordt gegeten.

– De selectieve coëfficiënt tegen melanici met maximale waarschijnlijkheid is s = 0,091 per dag (met naar waarschijnlijkheid geschatte 95%-betrouwbaarheidsintervallen van 0,028-0,157). Dit geeft dagelijkse relatieve overlevingsschattingen voor melaniden van 91% (84-97%) van die van de typische vormen. Deze schattingen en betrouwbaarheidsintervallen houden rekening met de heterogeniteit in de totale overleving van jaar tot jaar (eerste resultaat, hierboven).

Discussie

De levensduur van wilde nachtvlinders is enkele dagen, zodat de vermindering van de dagelijkse overleving van melanische motten met ongeveer 9% zowel in omvang als in richting voldoende is om hun plaatselijke achteruitgang op lange termijn te verklaren; de mate van achteruitgang suggereert een selectiedruk tegen melanische motten van s ≈ 0,1-0,2 per generatie (tabel 2; ). Majerus kon vanuit zijn raam predatiegebeurtenissen waarnemen, waarbij negen soorten lokale insectenetende vogels betrokken waren (tabel 2). Het is duidelijk dat melaniden in dit experiment sneller verdwenen dan niet-melaniden, en Majerus kon door directe waarneming bevestigen dat ongeveer een kwart van de verdwijningen het gevolg was van vogelpredatie.

Er is vaak beweerd dat andere factoren dan predatie een belangrijke rol hebben gespeeld bij de opkomst en de daaropvolgende postindustriële terugval van melanisme in Biston. Niettemin, met dit nieuwe bewijsmateriaal toegevoegd aan de bestaande gegevens, is het vrijwel onmogelijk om te ontsnappen aan de eerder aanvaarde conclusie dat visuele predatie door vogels de belangrijkste oorzaak is van de snelle veranderingen in de frequentie van melanic pepermotten . Deze nieuwe gegevens geven een antwoord op de kritiek op eerder werk en valideren de methodologie die is gebruikt in veel eerdere predatie-experimenten waarbij boomstammen als rustplaatsen werden gebruikt. De nieuwe gegevens, gekoppeld aan het gewicht van eerder bestaande gegevens tonen overtuigend aan dat ‘industrieel melanisme in de pepervlinder nog steeds een van de duidelijkste en meest gemakkelijk te begrijpen voorbeelden is van Darwinistische evolutie in actie’ .

Footnotes