The ecology of chemically defended butterflies

<p dir="ltr">Ever since the first naturalist travelled to America, the world has been bewildered by the colouration of butterflies. Many of these colourful tropical butterflies are toxic, a phenomenon coined by Poulton as aposematism. Over the many decades since the description of aposematism, South American butterflies have become models of aposematic theory, meanwhile, other regions of the world have remained overlooked. Australia has around 400 butterfly species, and most of them have never been studied regarding their colour and toxicity. This thesis aims to (1) record Australian butterfly colour diversity, (2) test if colour is a good indicator of toxicity and (3) understand the distribution of toxicity across different climates and life history traits. I began by collecting over 4000 butterflies across a range of 2500 km on the East coast of Australia and by building an open access database of full-spectrum photography, spectroscopy and cytochrome oxidase 1 sequences of over one quarter of Australian butterfly species (Chapter 1). Then, I determined the toxicity of 63 species of butterflies using <i>Daphnia </i>mortality assays. I use the full-spectrum photographs to model how bird predators see these butterflies and extracted 85 colour metrics to quantify how they vary with toxicity (Chapter 2). Then, I developed a videogame to test how conspicuous butterflies are to humans and associated butterfly conspicuousness to toxicity (Chapter 3). I found that, contrary to expectations, hue is a poor predictor of toxicity, whereas brightness on the ventral forewing was positively related to toxicity and butterflies with a less conspicuous dorsal side were less toxic. Our dataset revealed high intraspecific variation in toxicity, which could be explained by local predation pressure, climate-dependant rates of sequestration, or life history traits. I related the toxicity data, to 1) measures of predation pressure (bird density and diversity, bird attacks damage on butterfly wings), 2) climate at collection site, 3) sex and 4) size of individual butterflies to understand which traits are better predictors of toxicity (Chapter 4). I found no relationship between climate, bird density, and wing attacks and toxicity, but predator diversity negatively impacted prey toxicity. Male butterflies were more toxic than females, and smaller butterflies were more likely to be toxic than larger ones. Lastly, I tested if climate, sex and colour were good predictors of toxicity intraspecifically, using common grass blue butterfly, <i>Zizina otis </i>(Chapter 5). I found that tropical <i>Z. otis </i>were more toxic and temperate ones were the least toxic; females were also more toxic than males in this species. In sum, my thesis results show that butterfly toxicity is widespread in many previously overlooked taxa, and that colour is not the best indicator of toxicity. Further basic research on toxicity and how predators are impacted by these defences is needed before we can understand what limits the evolution of aposematism.</p><p dir="ltr">Desde os primeiros relatos de naturalistas nas Américas, a coloração das borboletas tem despertado fascínio. Muitas espécies tropicais exibem colorações vibrantes associadas à toxicidade, um fenômeno denominado por Poulton como aposematismo. Desde então, borboletas sul-americanas tornaram-se modelos clássicos para entender a evolução do aposematismo, enquanto outras regiões do mundo permanecem negligenciadas. A Austrália abriga cerca de 400 espécies de borboletas, cuja maioria não foi estudada quanto à sua coloração e toxicidade. Esta tese teve como objetivo preencher essa lacuna investigando: (1) a diversidade de cores das borboletas australianas, (2) a relação entre coloração e toxicidade, e (3) a distribuição da toxicidade em diferentes climas e traços de história de vida. Para isso, coletei mais de 4.000 indivíduos ao longo de 2.500 km da costa leste da Austrália e construí um banco de dados aberto com imagens multiespectrais, espectrofotometria e sequências do gene Citocromo Oxidase 1 de mais de um quarto das espécies australianas (Capítulo 1). A toxicidade de 63 espécies foi avaliada através de testes de mortalidade com <i>Daphnia</i>. Utilizando as imagens multiespectrais, modelei como aves predadoras percebem essas borboletas e extraí 85 métricas de cor para verificar como coloração varia com a toxicidade (Capítulo 2). Em seguida, desenvolvi um videogame para medir a conspicuidade das borboletas para humanos, relacionando sua detectabilidade visual à toxicidade (Capítulo 3). Os resultados mostraram que matiz não é um bom preditor de toxicidade, mas o brilho na asa anterior ventral está positivamente correlacionado com toxicidade. Além disso, borboletas com dorsos menos conspícuos tendem a ser menos tóxicas. Os dados também revelaram grande variação intraespecífica na toxicidade, possivelmente influenciada por fatores ecológicos e fisiológicos. Para investigar os determinantes dessa variação, compilei dados de toxicidade com medidas de pressão de predação (densidade e diversidade de aves, ataques aviários nas asas de borboletas), clima, sexo e tamanho dos indivíduos (Capítulo 4). Descobri que clima, densidade de aves e ataques nas asas não são bons preditores de toxicidade, enquanto a diversidade de predadores teve efeito negativo. Borboletas machos foram mais tóxicos que fêmeas, e indivíduos menores apresentaram maior toxicidade. Por fim, investiguei a toxicidade intraespecífica da borboleta <i>Zizia otis</i>, conhecida como borboleta-gramínea azul comum (Capítulo 5). Encontrei que indivíduos de regiões tropicais são mais tóxicos, os de clima temperado, menos tóxicos, e, diferentemente do padrão observado anteriormente, fêmeas foram mais tóxicas que machos nessa espécie. No geral, meus resultados indicam que a toxicidade em borboletas é amplamente distribuída, inclusive em grupos até então pouco estudados, e que a coloração nem sempre é um indicador confiável de toxicidade. Avanços no entendimento da evolução do aposematismo exigem mais pesquisas básicas sobre toxicidade e sobre como predadores respondem a essas defesas.</p>