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Introduzione

Melanismo nel peppered moth Biston betularia ha portato alle prime misure di selezione naturale su un locus mendeliano in natura. Rapidi aumenti del diciannovesimo secolo nei melanici, seguiti da declini più recenti hanno avuto luogo al passo con il cambiamento dei modelli di industrializzazione in Gran Bretagna e altrove. Il morfo melanico ‘carbonaria’ è ereditato tramite un allele dominante, C, in un singolo locus. L’allele C recessivo specifica la forma non melanica bianca e nera ‘typica’, mentre gli alleli melanici intermedi ‘insularia’, ereditati dallo stesso locus, sono dominanti per typica e recessivi per carbonaria. Le forme Insularia sono anche aumentate, in modo variabile, durante l’industrializzazione. Recentemente, questo locus è stato mappato e clonato; il modello di variazione genetica nella regione genomica che ospita il locus C suggerisce una rapida spazzata selettiva intorno a una singola origine mutazionale del melanismo. Esperimenti classici a metà del ventesimo secolo hanno dimostrato che gli uccelli attaccavano le falene. Inoltre, le falene a riposo che non sono riusciti a corrispondere al loro sfondo erano più vulnerabili alla predazione degli uccelli in esperimenti di gabbia . Gli studi di marcatura-ricattura delle falene vive, così come molti esperimenti di predazione degli uccelli utilizzando falene morte appuntate ai tronchi d’albero, hanno sostenuto l’ipotesi che gli uccelli fossero gli agenti della selezione sul melanismo.

Tuttavia, queste procedure hanno degli inconvenienti, e le critiche sono state sempre più diffuse. Negli esperimenti, le falene erano spesso collocate su tronchi d’albero, che si sosteneva fossero siti di riposo anormali; le carcasse appuntate sembravano particolarmente innaturali. Le falene sono state spesso rilasciate a densità molto gonfiate, aumentando potenzialmente la predazione. Gli insetti allevati da fonti geograficamente distanti sono stati spesso utilizzati per integrare gli individui selvatici, e potrebbero non essersi comportati naturalmente negli esperimenti di ricattura come le falene selvatiche. Negli anni ’90, è emerso un notevole scetticismo. Fattori diversi dalla predazione degli uccelli (ad esempio la migrazione, le differenze fisiologiche tra i genotipi) sono stati sostenuti per giocare un ruolo sostanziale nell’evoluzione del melanismo in Biston. I caveat sugli esperimenti di predazione discussi nel libro di Majerus, le critiche di altri biologi, così come i punti fatti con particolare forza in una recensione del libro di Majerus, furono presto sfruttati da non scienziati per promuovere un’agenda anti-evoluzione e per denigrare la spiegazione della predazione. Gli esperimenti originali di mark-recapture di Kettlewell sono stati successivamente sostenuti essere fraudolenti (in modo del tutto infondato: vedi ). Judith Hooper, autrice di questa affermazione, ha anche suggerito che i pipistrelli piuttosto che gli uccelli potrebbero essere gli agenti della selezione. Ben presto, sia il pubblico in generale che i biologi evolutivi cominciarono a dubitare della storia della predazione degli uccelli (materiale supplementare elettronico, S1).

Majerus decise quindi di fare nuove osservazioni chiave sul campo, e progettò ed eseguì anche un nuovo massiccio esperimento di predazione, il più grande esperimento di predazione mai eseguito (4864 falene liberate) per rispondere alle sue e ad altre critiche del lavoro precedente. Inoltre, per affrontare il possibile effetto della predazione dei pipistrelli, Majerus ha rilasciato falene vive in esperimenti notturni in diverse località: non ha trovato differenze significative nella predazione di 419 falene melaniche e tipiche mangiate da tre specie di pipistrelli. Sfortunatamente, Majerus è morto dopo una breve malattia nel 2009 prima di pubblicare le osservazioni dei siti di riposo e i risultati della predazione. Tuttavia, le informazioni del discorso di Uppsala, che costituiscono la base per l’analisi attuale, sono state rese liberamente disponibili da Majerus su Internet subito dopo come una serie di diapositive proiettate. Abbiamo formato l’attuale collaborazione per analizzare questi risultati e diffonderli in stampa per la prima volta, così come per chiarire l’importanza di questi risultati chiave per la nostra comprensione della selezione naturale in natura.

Materiale e metodi

Il lavoro sperimentale e osservativo qui presentato è stato condotto da Michael Majerus in un giardino rurale di 1 ha, a Springfield, vicino a Coton, Cambridgeshire, UK. I metodi completi sono stati pubblicati in un capitolo poco conosciuto; estratti rilevanti sono forniti qui (materiale supplementare elettronico, S2). I file originali della sua presentazione nel 2007, che contengono i risultati analizzati qui, sono forniti a http://dx.doi.org/10.5061/dryad.962262h9. Nei casi in cui i dati numerici non sono stati forniti in questi file, abbiamo espresso i risultati in termini simili a quelli utilizzati da Majerus nei documenti del 2007.

(a) Siti naturali di riposo

Mentre si arrampicava sugli alberi nel sito sperimentale per allestire le maniche per l’esperimento di predazione (vedi sotto), Majerus ha sistematicamente scrutato tronchi, rami e ramoscelli di un insieme limitato di alberi e ha registrato le posizioni naturali di riposo di tutte le falene selvatiche che ha trovato. Le 135 osservazioni che ha ottenuto qui aggiungono considerevolmente ai dati meno estesi sui siti di riposo precedentemente pubblicati.

(b) Esperimento di predazione

Gli scopi del nuovo esperimento di Majerus erano di stimare la sopravvivenza relativa delle falene melaniche e non melaniche locali a basse densità naturalistiche. Le falene (carbonaria melanica e typica non melanica; non sono stati utilizzati morfemi di insularia) sono state quindi rilasciate su substrati che lo stesso Majerus aveva dimostrato essere normali per la specie. I morphs sono stati rilasciati a frequenze vicine a quelle stimate dalle catture dell’anno precedente a Madingley, vicino a Cambridge. (Queste frequenze di Madingley sono state da noi interpolate da un grafico fornito da Majerus nella sua presentazione del 2007; vedi tabella 2, colonna 2).

Un totale di 4864 falene pezzate sono state rilasciate durante le stagioni di emergenza naturale in 6 anni. Ogni notte è stata rilasciata una falena in ciascuna delle 12 “maniche” di rete che circondano un ramo scelto a caso tra i 103 (ridotti a 97 nel 2007) rami utilizzati nello studio. I manicotti e le falene che vi riposavano sono stati rimossi prima dell’alba, e sono state annotate le posizioni delle falene rimaste indisturbate sulla corteccia. La densità di rilascio era in media inferiore a 10 falene ha-1 notte-1. Le falene assenti dalle posizioni di riposo 4 ore dopo l’alba sono state presumibilmente mangiate dai predatori, dato che raramente volano via durante il giorno, a meno che non siano molto disturbate. Di quelli che sono scomparsi, circa il 26 per cento sono stati visti essere mangiati dagli uccelli attraverso osservazioni binoculari. Per ulteriori dettagli, vedere il materiale supplementare elettronico, S2 e lo studio di Majerus.

(c) Analisi statistica dell’esperimento di predazione

I dati dell’esperimento di predazione (tabella 2, colonne 4-6) sono stati forniti come tabella di contingenza a tre vie. I numeri di carbonaria e typica rilasciati ogni anno sono stati fissati dal disegno sperimentale. Tali tabelle di contingenza non standard sono facilmente gestite da modelli log-lineari. I valori di massima verosimiglianza dei parametri dei tassi di predazione non selettivi e selettivi sono stati stimati, date le ipotesi di omogeneità o eterogeneità degli effetti tra gli anni, e sono stati eseguiti test di likelihood-ratio per testare modelli di diversa complessità gerarchica. Mentre la semplice analisi delle tabelle di contingenza è probabilmente più familiare, la predazione non selettiva era eterogenea tra gli anni, ed è stata necessaria un’analisi più complessa che tenesse conto dell’eterogeneità (vedi materiale elettronico supplementare, S3).

Risultati

(a) Siti naturali di riposo

Majerus aveva già dimostrato che alcune falene si riposavano normalmente sui tronchi degli alberi durante il giorno. Le sue recenti ed estese osservazioni sui siti di riposo ottenute mentre si arrampicava sugli alberi del suo giardino per impostare l’esperimento di predazione sembrano essere andate perse, ma ha riassunto il lavoro nella sua presentazione di Uppsala del 2007 (http://dx.doi.org/10.5061/dryad.962262h9). Una versione commentata di questo riassunto è presentata qui. Majerus ha riportato le seguenti caratteristiche principali (tabella 1):

– La maggior parte (52%) delle falene riposa sui rami laterali.

– Delle falene sui rami laterali, la maggioranza (89%) riposa sulla metà inferiore del ramo.

– Una percentuale significativa di falene (35%) riposa sui tronchi degli alberi.

– Di quelle che riposano sui tronchi, la maggior parte (87%) riposa sulla metà nord, piuttosto che su quella sud.

– Una minoranza di falene (13%) riposa sotto o tra i rami.

– Non ci sono state differenze significative nei siti di riposo di maschi e femmine (χ2 ≈ -2Δln L = 0,33, 2 d.f.).

– Non ci sono state differenze significative nei siti di riposo utilizzati dalle forme typica (non melanica), carbonaria (melanica completa) o insularia (melanica intermedia) (dati numerici non disponibili).

I risultati sull’orientamento della posizione di riposo suggeriscono di evitare l’esposizione al sole, verificando anche che una frazione ragionevolmente alta di falene si riposa sui tronchi degli alberi, così come nel baldacchino.

Nota che queste osservazioni riguardavano falene selvatiche che non facevano parte dell’esperimento di predazione.

(b) Esperimento di predazione

Nel nuovo esperimento di predazione di Majerus in un sito non inquinato, un numero significativamente maggiore di melanici rilasciati rispetto ai non-melanici è scomparso o è stato mangiato da nove specie di uccelli (figura 1 e tabella 2). Questa minore fitness dei melanici è attesa se il declino osservato nel melanismo (tabella 2) è spiegato dalla predazione visiva.

L’analisi statistica completa (materiale supplementare elettronico, S3) dimostra:

– forte evidenza di eterogeneità nella frazione non selettiva mangiato di entrambi i morfi attraverso gli anni (p < 0.001), ma

– nessuna variazione significativa nella frazione mangiata selettivamente negli anni, e

– forte evidenza di selezione complessiva contro la forma melanica (p = 0.003), pur tenendo conto dell’eterogeneità da un anno all’altro nella frazione non selettiva mangiata.

– Il coefficiente selettivo di massima verosimiglianza contro i melanici è s = 0,091 al giorno (con intervalli di confidenza al 95% stimati con verosimiglianza di 0,028-0,157). Questo dà stime di sopravvivenza relativa giornaliera per i melanici del 91% (84-97%) di quella delle forme tipiche. Queste stime e gli intervalli di confidenza tengono conto dell’eterogeneità da un anno all’altro nella sopravvivenza complessiva (primo risultato, sopra).

Discussione

La durata della vita delle falene selvatiche è di diversi giorni, quindi la riduzione di circa il 9 per cento nella sopravvivenza giornaliera dei melanici è sufficiente in grandezza e direzione per spiegare il loro declino locale a lungo termine; il tasso di declino suggerisce una pressione di selezione contro i melanici di s ≈ 0.1-0.2 per generazione (tabella 2; ). Majerus è stato in grado di vedere eventi di predazione dalla sua finestra, coinvolgendo nove specie di uccelli insettivori locali (tabella 2). Chiaramente i melanici sono scomparsi più velocemente dei non-melanici in questo esperimento, e Majerus è stato in grado di confermare con l’osservazione diretta che circa un quarto delle scomparse erano dovute alla predazione degli uccelli.

Fattori diversi dalla predazione sono stati spesso sostenuti per giocare un ruolo sostanziale nell’aumento e nella successiva caduta post-industriale del melanismo a Biston. Tuttavia, con questa nuova prova aggiunta ai dati esistenti, è praticamente impossibile sfuggire alla conclusione precedentemente accettata che la predazione visiva da parte degli uccelli è la causa principale dei rapidi cambiamenti nella frequenza delle falene pezzate melaniche. Questi nuovi dati rispondono alle critiche del lavoro precedente e convalidano la metodologia impiegata in molti esperimenti di predazione precedenti che hanno utilizzato tronchi d’albero come siti di riposo. I nuovi dati, insieme al peso dei dati precedentemente esistenti, mostrano in modo convincente che “il melanismo industriale nella falena pezzata è ancora uno degli esempi più chiari e facilmente comprensibili di evoluzione darwiniana in azione”.

Footnotes