Elke herfst draaien monarchvlinders in Canada en de Verenigde Staten hun kleurrijke vleugels naar de Rio Grande en migreren ze meer dan 2,000 mijl naar de relatieve warmte van centraal Mexico.
De reis, die instinctief wordt herhaald door generaties vorsten, gaat door, zelfs als hun aantal sterk is gedaald vanwege het verlies van hun enige voedselbron van larven - krookjes. Nu denken wetenschappers dat ze het geheim hebben gekraakt van de interne, genetisch gecodeerde kompaskoningen die worden gebruikt om de zuidwestelijke richting te bepalen die ze elke val moeten vliegen.
"Hun kompas integreert twee stukjes informatie - het tijdstip van de dag en de positie van de zon aan de horizon - om de zuidelijke richting te vinden", zegt Eli Shlizerman, assistent-professor aan de Universiteit van Washington, die gezamenlijke benoemingen heeft in de toegepaste wiskunde en de elektrotechnische afdelingen.
Hoewel de aard van het vermogen van de monarchvlinder om het tijdstip van de dag en de locatie van de zon in de lucht te integreren bekend is uit eerder onderzoek, hebben wetenschappers nooit begrepen hoe het brein van de monarch deze informatie ontvangt en verwerkt. Voor de studie wilden onderzoekers hoe modelleren het kompas van de vorst is georganiseerd in zijn hersenen.
"We wilden begrijpen hoe de vorst deze verschillende soorten informatie verwerkt om dit constante gedrag te verkrijgen - elk najaar in het zuidwesten vliegen", zegt Shlizerman.
Monarchen gebruiken hun grote, complexe ogen om de positie van de zon in de lucht te volgen. Maar de positie van de zon is niet voldoende om de richting te bepalen. Elke vlinder moet die informatie ook combineren met het tijdstip om te weten waar te gaan. Gelukkig hebben monarchen, zoals de meeste dieren inclusief mensen, een interne klok op basis van de ritmische expressie van sleutelgenen.
Deze klok onderhoudt een dagelijks patroon van fysiologie en gedrag. In de monarchvlinder is de klok gecentreerd in de antennes en reist de informatie via neuronen naar de hersenen.
Biologen hebben eerder de ritmische patronen in monarch-antennes bestudeerd die de interne klok besturen, evenals hoe hun samengestelde ogen de positie van de zon in de lucht ontcijferen. Voor de studie, gepubliceerd in het tijdschrift Cell Reports, onderzoekers registreerden signalen van zenuwenzenuwen in vorsten omdat ze klokinformatie naar de hersenen zonden, evenals lichtinformatie van de ogen.
De kortste route is niet de beste
"We hebben een model gemaakt waarin deze informatie is verwerkt - hoe de antennes en ogen deze informatie naar de hersenen sturen", zegt Shlizerman. "Ons doel was om te modelleren welk type besturingsmechanisme zou werken in de hersenen, en vervolgens gevraagd of ons model een duurzame navigatie in zuidwestelijke richting kon garanderen."
In hun model twee neurale mechanismen: één remmende en één excitatoire gecontroleerde signalen van klokgenen in de antennes. Hun model had een soortgelijk systeem om de positie van de zon te bepalen op basis van signalen van de ogen. Het evenwicht tussen deze controlemechanismen zou het monarchhersenen helpen bij het ontcijferen welke richting zuidwest was.
Op basis van hun model blijkt ook dat monarchen bij het maken van koerscorrecties niet simpelweg de kortste bocht nemen om weer op weg te gaan. Hun model bevat een unieke eigenschap - een scheidingspunt dat zou bepalen of de monarch rechts of links in de richting zuidwest draaide.
"De locatie van dit punt in het gezichtsveld van de monarchvlinder verandert gedurende de dag", zegt Shlizerman. "En ons model voorspelt dat de vorst dit punt niet zal passeren wanneer het een koerscorrectie uitvoert om terug naar het zuidwesten te gaan."
Op basis van hun simulaties, als een monarch van koers raakt als gevolg van een windvlaag of voorwerp op zijn pad, zal deze draaien in welke richting dan ook niet vereist is om het scheidingspunt te passeren.
Aanvullende studies zouden moeten bevestigen of het onderzoekersmodel consistent is met de hersenenanatomie, fysiologie en gedrag van de monarchvlinder. Tot nu toe lijken aspecten van hun model, zoals het scheidingspunt, consistent te zijn met waargenomen gedrag.
"In experimenten met monarchen op verschillende tijdstippen van de dag, zie je wel eens dat hun bochten in koerscorrecties ongewoon lang, langzaam of meanderend zijn", zegt Shlizerman. "Dit kunnen gevallen zijn waarbij ze een kortere bocht niet kunnen doen omdat het het scheidingspunt zou moeten oversteken."
Hun model suggereert ook een eenvoudige verklaring waarom monarchvlinders in staat zijn om de koers om te keren in het voorjaar en terug te gaan naar de Verenigde Staten en Canada. De vier neurale mechanismen die informatie overbrengen over de klok en de positie van de zon zouden gewoon de richting omkeren.
"En als dat gebeurt, wijst hun kompas naar het noordoosten in plaats van naar het zuidwesten," zegt Shlizerman. "Het is een eenvoudig, robuust systeem om uit te leggen hoe deze vlinders-generatie na generatie-deze opmerkelijke migratie maken."
Daniel Forger van de University of Michigan en James Phillips-Portillo van de University of Massachusetts zijn coauteurs van de studie, die werd gefinancierd door de National Science Foundation en het Washington Research Fund.
Bron: Universiteit van Washington
{youtube}8Y073TkHVf0{/youtube}
Verwante Boeken
at InnerSelf Market en Amazon
