popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 195243, nr raportu: 19734. Kierownik (z rap.): dr Agnieszka Bednarska
Wszystkie żywe organizmy pobierają z otoczenia zasoby, by wykorzystać je do wzrostu, rozwoju i rozmnażania.
Opracowanie modelu matematycznego pomaga w zrozumieniu, jaka ilość energii pozyskanej z zewnątrz (z pokarmu)
wykorzystywana jest do utrzymania niezbędnych procesów życiowych. Idealnym rozwiązaniem byłoby gdyby jeden
model reprezentował wszystkie żywe organizmy, czyli zawierał zestaw równań mających zastosowanie do każdego
organizmu, a zbadanie konkretnego gatunku wymagałoby jedynie zmodyfikowanej wartości dla zmiennych w tych
równaniach. Posiadanie takiego modelu pomogłoby nam, bez potrzeby prowadzenia dodatkowych obserwacji,
przewidzieć co stanie się z organizmami w chwili, kiedy zostaną one poddane działaniu stresorów takich jak np. głód,
zmiana temperatury czy substancje toksyczne. Takiego podstawowego modelu dostarcza nam już teoria Dynamicznego
Budżetu Energetycznego (DEB). Pomimo że oferuje ona dobrze przetestowany model dla wszystkich organizmów, owady
o przeobrażeniu zupełnym wciąż pozostają najmniej zbadaną grupą w kontekście DEB. Owady te mają zdolności, których
nie posiadają żadne inne organizmy, jak choćby całkowite przeobrażenie ich ciała i zupełnie róży behawior w różnych
stadiach rozwoju - pomyślmy na przykład o gąsienicy, która staje się motylem.
Celem projektu było rozwinięcie opierającego się na teorii DEB modelu dla owadów o przeobrażeniu zupełnym, na
przykładzie trojszyka gryzącego Tribolium castaneum (Coleoptera: Carbidae), szkodnika przetworzonej żywności. Aby to
zrobić, należało zdefiniować szczegółowe zasady na których model się opiera. W niniejszym projekcie zostało to zrobione
w oparciu o dane literaturowe oraz dane eksperymentalne dla warunków kontrolnych (bez obecności czynnika
stresowego). Następnie sprawdzono, czy zasady te zostały poprawnie zdefiniowane, poprzez zbadanie, jak owady te
reagują na różne warunki środowiskowe, takie jak ograniczenie dostępności pokarmu, zmiany temperatury, obecność
miedzi w środowisku życia. Eksponując zwierzęta na substancje toksyczne, zmienną temperaturę i różną ilość pożywienia
otrzymaliśmy szereg danych na temat parametrów historii życiowej chrząszcza, pozwalającym m.in. na przetestowanie
różnych założeń modelu. I tak okazało się np., że w przypadku stresu powodowanego przez Cu, najlepsze dopasowanie do
danych dotyczących przeżywalności chrząszczy uzyskano przy założeniu wpływu Cu na efektywność asymilacji
pokarmu. Niezależnie od wykorzystania danych z eksperymentu z miedzią do walidacji modelu DEB, uzyskane wyniki
mają istotne znaczenie w ocenie ryzyka środowiskowego, gdyż jasno wskazują, że krótkotrwałe standardowe testy
ekotoksykologiczne, oparte wyłącznie o badania śmiertelności w jednym stadium rozwojowym (zwykle stadium dorosłe),
mogą nie wykryć skutków ekspozycji na substancję toksyczną, podczas gdy takie efekty są obecne, lecz widoczne w
innych niż przeżywalność parametrach historii życiowej. W oparciu o dane uzyskane z eksperymentów z różną ilością
pokarmu i różną temperaturą trwają prace nad pełną walidacją modelu i jego zastosowaniu do innych owadów o
przeobrażeniu zupełnym.
Jak dotąd użycie modelu pozwoliło zrozumieć w jaki sposób wielkość ciała narzuca różne ograniczenia dotyczące
metabolizmu, skąd bierze się duża rozbieżność w wykładnikach skalowania metabolizmu, czy też jak wielkość jaja
determinuje czas wyklucia larwy. Poprzez modelowanie różnego zapotrzebowania pokarmowego we wczesnych stadiach
życia, zależnego od rozmiarów żywiciela, możliwe było znalezienie mechanizmów odpowiedzialnych za podwojenie
kosztów związanych z posiadaniem małych rozmiarów ciała u gąsienicznika Venturia canescens (Hymenoptera:
Ichneumonidae). Wykazano, że ostatnie stadium larwalne pozyskuje ok. 60 razy więcej energii niż poprzedzająca je
larwa, z czego ok. 90% jest następnie zużywane podczas przepoczwarzania na koszty utrzymania oraz w celu budowy
struktury imago. W związku z tym, nowo powstałe stadium dorosłe posiada tylko niewielki procent zasobów
energetycznych zmagazynowanych przez ostatnie stadium larwalne.
W przyszłości opracowany model może znaleźć zastosowanie w szerszym kontekście badań naukowych – w ochronie
zagrożonych gatunków czy też w zwalczaniu szkodników upraw i produktów spożywczych.