Na Katedře neurobiologie Lékařské fakulty Massachusettské University se její šéf, profesor Steven M. Reppert, již tři desetiletí věnuje výzkumu cirkadiálních rytmů. Jeho oblíbeným objektem zájmu je motýl monarcha stěhovavý (Danaus plexippus), z čeledi babočkovitých.
Profesor Reppert publikuje jednu úspěšnou práci za druhou. V srpnu 2008 mu časopis Nature uveřejnil článek o schopnosti vinné mušky (Drosophila melanogaster) vnímat vnější magnetické pole pomocí fotoreceptoru kryptochromu, který aktivuje modrá složka viditelného světla, nebo UV-A záření. Loni, v září 2009, se Reppertův článek objevil v dalším prestižním časopisu Science, tentokráte na téma jak monarchům v orientaci na jejich dlouhé pouti pomáhá denním biorytmem koordinovaný sluneční kompas, umožňující vnímat rovinu polarizace slunečního UV-A záření. Primární „časovač“ pro tento orientační mechanismus se nachází v tykadlech a ne uvnitř hlav motýlů, jak se do té doby předpokládalo.
Teď se Reppertovo jméno objevuje i v nejnovějším čísle časopisu Nature. Třetí článek jakoby spojoval oba předešlé, protože zveřejňuje výsledky experimentů, při kterém neurobiologové na vinných muškách zkoumali, jestli kryptochromy produkované buňkami monarchů mají kromě fotorecepčního i magnetorecepční potenciál, tedy jestli principiálně umožňují vnímání vnějšího magnetického pole.
A ještě něco všechny tři práce spojuje – malý autorský kolektiv pochází výlučně z Reppertovy katedry neurobiologie.
Monarcha stěhovavý je jistě nejznámějším motýlem v USA. Evropanům ho přiblížily mnohé přírodopisné filmy o jeho obdivuhodné každoroční migraci. Jasně oranžová křídla s černou síťovanou kresbou jsou jejich nezaměnitelným znakem a zároveň i varovným signálem „nejsem stravitelný“. Housenky monarchů se líhnou a krmí pouze na rostlinách čeledi klejichovité (Asclepiadaceae).
Druh klejicha hedvábná (slov.: glejovka americká, lat.: Asclepias syriaca) si našel cestu i do jižních oblastí Čech a Slovenska (více na stránkách botany.cz a kvetenacr.cz). Hezká, statná rostlina s okolíkem sladce vonících zajímavých květů vypouští z poraněných míst latexovou bílou tekutinu s obsahem několika toxinů, mezi nimiž dominují glykosidy asclepiadin a kardenolidy. Pokus ptačího predátora zahnat hlad housenkou, nebo dospělcem monarchy končí bolebřichem a dávením. Ale monarcha stěhovavý je proslulý hlavně svým způsobem přezimování. Podzimní generace se nepáří a v období říjnové rovnodennosti se ze všech koutů USA a jižní Kanady vybere na 2 – 3 tisíce kilometrů dlouhou cestu na jih do centrálního Mexika a na jihovýchodní pobřeží USA. Na zimovištích se slétají miliony motýlů. Zimní generace žije o minimálně pět měsíců déle než generace letní, protože musí na jaře absolvovat alespoň část zpáteční cesty a zajistit přežití druhu. Evoluce někdy dospěje k zajímavým řešením, která se nemusí zdát racionální.
Ze života monarchů stěhovavých
Zcela racionální a z vědeckého hlediska hlavně vzrušující je otázka jak všichni jedinci na podzim zrozené generace vědí kdy a kam odletět? A to z různých oblastí Spojených států a Kanady. Výzkumných prací na toto téma bylo již mnoho, odpověď ale není zdaleka kompletní. Steven Reppert k ní přispěl snad nejvíce. Všeobecně přijímaná teorie předpokládá, že hlavním navigačním přístrojem u monarchů je již zmíněný sluneční kompas seřizovaný denním (cirkadiálním) biorytmem. Reppert by teď rád tuto teorii doplnil o důkaz, že monarchové mají schopnost se orientovat i podle magnetického pole.
Oba mechanismy – cirkadiální rytmus i magnetorecepce se vážou na zvláštní druh bílkovin, jež jsou aktivovány světlem – na kryptochromy. Absorbují energii fotonů modré a UV-A složky spektra a následně spouštějí kaskádu biochemických reakcí, jež reguluje v organizmu pochody spjaté se střídáním světla a tmy. Kryptochromy tuto funkci plní u mnoha rostlinných i živočišních druhů. Monarcha je má dva – kryptochrom Cry1 je podobný tomu, který byl objeven u drozofily, druhý - Cry2 - je příbuzný kryptochromům obratlovců. Jde právě o fotoreceptory, jež jsou také v sítnicích stěhovavých ptáků a podle některých výzkumů jim umožňují opticky vnímat směr magnetického pole.
I u jiných organizmů jsou právě kryptochromy spojovány se schopností magnetorecepce. Proto není divu, že Reppert to očekává i u monarchů a proto tímto směrem svůj výzkum zaměřil. Jeho malý tým zatím nedokázal, že by motýli měly schopnost se podle geomagnetického pole alespoň rámcově orientovat, jen prověřil, jestli jejich kryptochromy jim to principiálně umožňují. Vědci navázali na předcházející experimenty s drozofilami. V jednoduchém labyrintu je trénovali na vyhledávání sladké odměny podle uměle vytvořeného magnetického pole. Zdravé vinné mušky se to časem dokázaly naučit, zatímco mutanti s narušenou produkcí kryptochromu Cry1 to nesvedli.
Teď massachusettští neurobiologové dokázali, že jestli v linii těchto geneticky modifikovaných mušek bez vlastního funkčního fotoreceptoru provedou další změnu a vpašují jim gen pro některý z kryptochromů monarchů, schopnost drozofil naučit se vyhledávat cukrovou šťávu podle magnetického pole se obnoví. A platí to pro oba motýlí fotosenzitivní proteiny – jak pro Cry1, jež je drozofilám bližší, tak i pro Cry2, který je pro ně cizorodější. To vědcům umožňuje předpokládat, že oba tyto fotoreceptory by mohly svým krásným oranžově černým okřídleným majitelům umožnit se na dlouhých migračních trasách alespoň přibližně orientovat podle geomagnetického pole. Teď zatím jenom přemýšlejí, jak experimenty přímo s monarchy provést.
A to navzdory tomu, že jejich kolegové z newyorské Rockefellerovy university v roce 2002 publikovali článek, v kterém prokázali, že monarchové se podle magnetického pole orientovat nedokážou. Protože se mediální zprávy někdy nekriticky přebírají, je vhodné dodat, že název té, kterou vydala sama Massachusettská univerzita: „Monarchové odhalují nový způsob, jak zvířata cítí magnetické pole Země“ je v podstatě zavádějící. Nikdo zatím tuto schopnost u motýlů neprokázal.
Podrobnější odborný přehled v angličtině – Journal of Biology; 18. 6. 2009
Zdroje: University of Massachusetts Medical School, Nature National Institutes of Health, PNAS