Recenzja 2 - BIOL

Dr hab. Elżbieta Król
Institute of Biological and Environmental Sciences
University of Aberdeen
Aberdeen AB24 2TZ, Scotland, UK
e-mail: [email protected]
Aberdeen, 22 stycznia 2015
Recenzja rozprawy doktorskiej mgr Julity Sadowskiej
pt. ‘The parental investment capacity and basal metabolic rate correlation
in mammalian endothermy evolution’
1. Informacje ogólne o rozprawie
Rozprawa doktorska mgr Julity Sadowskiej, realizowana pod kierunkiem dr hab. Andrzeja
Gębczyńskiego w Instytucie Biologii na Uniwersytecie w Białymstoku, przygotowana jest
według ‘nowego trybu’. Jako taka, rozprawa ta składa się ze streszczenia w języku polskim (3
strony) i angielskim (3 strony), trzech rozdziałów empirycznych stanowiących kopie trzech
opublikowanych lub przyjętych do druku artykułów naukowych (łącznie 65 stron ),
poprzedzonych wspólnym wstępem (General Introduction, 8 stron) oraz wspólnie
podsumowanych (General Conclusions, 3 strony). W skład rozprawy wchodzi również spis
literatury (wspólny dla General Introduction i General Conclusions, 7 stron) oraz
oświadczenia współautorów artykułów (prof. dr hab. Marka Konarzewskiego, dr hab.
Andrzeja Gębczyńskiego oraz mgr Katarzyny Paszko), deklarujące ich szczegółowy udział w
badaniach naukowych i przygotowywaniu publikacji składających się na rozprawę doktorska
mgr Sadowskiej. Na szczególna uwagę zasługuje fakt, że mgr Sadowska jest na wszystkich
trzech publikacjach pierwszym oraz korespondencyjnym autorem, co jednoznacznie definiuje
jej dojrzałość i odpowiedzialność naukową oraz wskazuje na znaczący udział doktorantki w
planowaniu i realizacji przedstawionych badań naukowych, analizie danych, przygotowaniu
manuskryptów do druku oraz skutecznym polemizowaniu z recenzentami i edytorami
renomowanych czasopism naukowych o ważności merytorycznej swojej pracy badawczej.
Artykuły naukowe, które są podstawą recenzowanej rozprawy doktorskiej, to:
2
1) Sadowska J, Gębczyński AK, Konarzewski M (2015) Effect of reproduction on the
consistency of the between-line type divergence in laboratory mice selected on BMR.
Physiological and Biochemical Zoology [w druku].
2) Sadowska J, Gębczyński AK, Konarzewski M (2013) Basal metabolic rate is positively
correlated with parental investment in laboratory mice. Proceedings of the Royal Society B,
280: 20122576.
3) Sadowska J, Gębczyński AK, Paszko K, Konarzewski M (2014) Milk output and
composition in mice divergently selected for BMR. Journal of Experimental Biology, doi:
10.1242/jeb.111245 [Epub ahead of print].
Wszystkie trzy artykuły zostały opublikowane w prestiżowych czasopismach z listy
filadelfijskiej, charakteryzujących się wysokimi Impact Factor (Physiological and
Biochemical Zoology, IF = 2.5; Proceedings of the Royal Society B, IF = 5.3; Journal of
Experimental Biology, IF = 3.0). Nic dziwnego, że publikacje mgr Sadowskiej zostały
natychmiast w środowisku naukowym zauważone, czego dowodem jest 10 cytowań artykułu
opublikowanego zaledwie kilkanaście miesięcy temu w Proceedings of the Royal Society B.
Wysoka cytowalność artykułów z tak krótkim stażem świadczy o ważności podejmowanej w
nich tematyki badawczej oraz istotnym znaczeniu tej tematyki dla rozwoju współczesnej
biologii.
2. Ocena tematyki badawczej i testowanych hipotez
Cykl artykułów mgr Sadowskiej składający się na jej rozprawę doktorską zajmuje się bardzo
ważnym zagadnieniem współczesnej biologii, jakim jest ewolucja stałocieplności.
Stałocieplność jest złożoną adaptacją fizjologiczną, dzięki której ptaki i ssaki utrzymują
względnie stałą, wysoką temperaturę ciała, niezależnie od temperatury otoczenia. Możliwe
jest to dzięki posiadaniu wysokiego tempa metabolizmu podstawowego (BMR) oraz
zdolności ptaków i ssaków do szybkiego zwiększania tempa metabolizmu ponad poziom
podstawowy. Wysoka temperatura ciała oznacza możliwość przyspieszenia wszystkich
procesów metabolicznych, a zatem zwiększenia ogólnego tempa przetwarzania energii, co w
sensie fizycznym oznacza osiągnięcie większej mocy. Stałe utrzymywanie wysokiej
temperatury ciała daje gotowość do rozwinięcia tej mocy w każdej chwili i niezależnie od
3
zmieniających się warunków środowiskowych, co istotne jest zarówno przy wysiłku
krótkotrwałym (ucieczka przed drapieżnikiem, pogoń za ofiarą) jak i długotrwałej opiece nad
potomstwem czy migracji. Powszechnie uważa się, że duża moc, osiągnięta dzięki wysokiej
temperaturze ciała, stała się prerekwizytem zdolności do lotu u ptaków oraz umożliwiła
znaczne udoskonalenie sytemu nerwowego (szczególnie mózgu) u ssaków, co przyczyniło się
do opanowania przez te zwierzęta większości środowisk na Ziemi.
Pomimo łatwości, z jaką wylicza się potencjalne korzyści wynikające ze
stałocieplności ptaków i ssaków, dużo trudniej odpowiedzieć na pytanie jak doszło do
ewolucji stałocieplności, biorąc pod uwagę jej wysokie koszty energetyczne oraz fakt, że
metabolizm ptaków i ssaków utrzymywany jest na poziomie około 20 razy wyższym niż
metabolizm gadów. Szczególnie burzliwa dyskusja dotyczy pytania do czego konkretnie w
ewolucji stałocieplności potrzebny był wysoki BMR, czyli która z domniemanych cech
osobniczych faworyzowanych przez dobór naturalnych w procesie wykształcania się
stałocieplności była na tyle funkcjonalnie związana z tempem metabolizmu podstawowego,
że kierunkowe zmiany tej cechy prowadziły do skorelowanego wzrostu BMR. Wśród cech
osobniczych uważanych za potencjalnie istotne w procesie ewolucji stałocieplności oraz
mogących funkcjonalnie zależeć od BMR, do najczęściej dyskutowanych i testowanych
empirycznie zalicza się:
1) maksymalne wysiłkowe tempo metabolizmu tlenowego (model wydolności tlenowej,
według którego wzrost dostosowania osobnika osiągany jest na przykład poprzez szybszą
ucieczkę przed drapieżnikiem lub/i skuteczniejszą pogoń za ofiarą),
2) maksymalne tempo produkcji ciepła (model według którego lepsza wydolność
termogeniczna umożliwiała lepszą opiekę rodzicielską realizowaną przez wydajniejszą
inkubację jaj i ogrzewanie młodych),
3) maksymalne tempo asymilacji pokarmu (model wydolności asymilacyjnej, według którego
długotrwała zwiększona asymilacja pokarmu umożliwia intensywniejsze karmienie młodych i
skuteczniejszą obronę gniazda).
Ponieważ przemiany metaboliczne oraz asymilacja pokarmu dotyczą procesów zachodzących
przede wszystkim w tkankach miękkich organizmu, wnioskowanie o ewolucji stałocieplności
w kontekście ewolucji zmian tempa metabolizmu jest znacznie utrudnione ze względu na brak
stosownych dowodów paleontologicznych. Empiryczne testowanie poszczególnych
4
scenariuszy dotyczących ewolucji stałocieplności polega więc na badaniu związków między
BMR a maksymalnym wysiłkowym tempem metabolizmu tlenowego (model wydolności
tlenowej), maksymalną termogenezą bezdreszczową (model wydolności termogenicznej) i
maksymalną asymilacją pokarmu (model wydolności asymilacyjnej). Zarówno model
wydolności termogenicznej jak i model wydolności asymilacyjnej zostały sformułowane w
kontekście domniemanego popierania przez dobór naturalny zwiększonej opieki nad
potomstwem, prowadzącej do zwiększonej wydolności reprodukcyjnej, mierzonej
liczebnością miotu/lęgu oraz wielkością/jakością młodych. Oba te modele charakteryzują się
więc tym samym efektem końcowym (zwiększoną wydolnością reprodukcyjną), osiąganym
poprzez różne mechanizmy (termoregulacja versus odżywianie i obrona młodych). Sytuacje
komplikuje ponadto fakt, że zwiększona termoregulacja wymaga na dłuższa metę
zwiększonej asymilacji pokarmu, więc mierzenie samej asymilacji pokarmu w czasie opieki
nad potomstwem nie informuje nas jak asymilowana energia jest wykorzystywana. Podobnie,
mierzenie tylko i wyłącznie wydolności reprodukcyjnej nie informuje nas w jaki sposób
doszło do zwiększenia liczby/wielkości/jakości młodych - czy poprzez skuteczniejszą
termoregulację, czy poprzez lepsze odżywianie młodych i ich skuteczniejszą obronę, czy też
poprzez wszystkie te procesy łącznie.
W oparciu o najnowsza literaturę światową oraz wcześniejsze badania
przeprowadzone przez swoich kolegów w Białymstoku, mgr Sadowska skoncentrowała się w
swojej pracy doktorskiej na bardzo rzetelnym i konsekwentnym testowaniu modelu
wydolności asymilacyjnej laktujacych samic myszy laboratoryjnej, odrzucając niejako a
priori model wydolności termoregulacyjnej. Stało się tak ze względu na zademonstrowany
wcześniej przez dr Gębczyńskiego (2008) brak korelacji między BMR a maksymalną
termogenezą bezdreszczową u samców myszy laboratoryjnej. Uważam, że sytuacja
metaboliczna laktujących samic rożni się zasadniczo od sytuacji samców, i używanie
parametrów fizjologicznych zmierzonych u jednej płci do podejmowania strategicznych
decyzji o przyjmowaniu/odrzucaniu hipotez dotyczących wydolności reprodukcyjnej drugiej
płci, może być ryzykowne. Być może, w przyszłości, należałoby przeprowadzić eksperyment
laktacyjny, w którym mierzona jest nie tylko asymilacja pokarmu i produkcja mleka, lecz
również wydolność termoregulacyjna laktujących samic. Nie ukrywam, że byłabym
wynikami takiego eksperymentu bardzo zainteresowana, ze względu na sugerowaną przez
grupę w Aberdeen negatywną korelację między produkcją mleka w szczycie laktacji a
aktywnością termogeniczna brunatnej tkanki tłuszczowej, w kontekście proponowanych
ograniczeń laktacji związanych z tempem dysypacji ciepła (Król et al. 2011).
5
U ssaków, udział samców w opiece nad potomstwem jest na ogół dużo mniejszy niż
udział samic, biorąc pod uwagę ich wydatki energetyczne na reprodukcje oraz budżet
czasowy. Od dawna zastanawiałam się czy jeżeli dobór działał na parametry fizjologiczne
(takie jak termoregulacja lub asymilacja) zwiększające wydolność reprodukcyjną samic,
czego skorelowanym efektem jest ich zwiększone tempo metabolizmu podstawowego, to jak
należy interpretować wysoki BMR samców? Innymi słowy, czy dobór naturalny działał na
wydolność termoregulacyjna/asymilacyjna obu płci, dlatego obie płcie maja wysoki BMR,
czy też tylko na wydolność samic, czego efektem ‘sprzężonym’ jest wysoki metabolizm
samców? Czy możliwy jest dymorfizm płciowy, jeśli chodzi o BMR? Czy są jakieś dane
pokazujące związek między wydolnością termoregulacyjną/asymilacyjną samców a ich
sukcesem rozrodczym? Panią mgr Sadowską uważam za eksperta, jeśli chodzi o zagadnienia
związane z ewolucją stałocieplności, dlatego chętnie bym z nią na te tematy porozmawiała.
3. Ocena metodyki badawczej
Wiele prób testowania hipotez dotyczących ewolucji cech przystosowawczych zakończyło się
fiaskiem, ze względu na stosunkową niską zmienność fenotypowa tych cech w kohortach
zwierząt laboratoryjnych lub populacjach naturalnych, jak również niemożność odróżnienia
czynników genetycznych od środowiskowych składających się na obserwowaną zmienność.
Prace mgr Sadowskiej nie mają tego rodzaju problemów, ponieważ opierają się na
unikatowym układzie eksperymentalnym, polegającym na wykorzystaniu doboru sztucznego
do selekcji myszy laboratoryjnych (Swiss-Webster) na wysoki i niski BMR (dwie linie
selekcyjne bez powtórzeń). Eksperymenty laktacyjne będące podstawą doktoratu mgr
Sadowskiej zostały przeprowadzone na generacjach 32-43, czemu towarzyszyły prawie 50%
różnice w poziomie BMR między selekcjonowanymi liniami, jak również różnice w
wielkości organów wewnętrznych, ilości konsumowanego pokarmu i poziomie aktywności.
Nie ulega zatem wątpliwości, że wykryta przez doktorantkę dodatnia korelacja między
wydolnością reprodukcyjna laktujących samic a ich selekcjonowanym poziomem
metabolizmu bazalnego ma charakter genetyczny. Wynik ten jest bardzo ważny, ponieważ
wskazuje na możliwość skorelowanej ewolucji wydolności reprodukcyjnej i BMR, czego
podłożem (po wykluczeniu efektu dryfu genetycznego) jest najprawdopodobniej ścisła
zależność funkcjonalna, związana z wielkością organów wewnętrznych, koniecznych do
asymilacji energii ale jednocześnie kosztownych do utrzymania (stąd wysoki BMR).
6
Przy okazji chciałam dodać, że Instytut Biologii na Uniwersytecie w Białymstoku jest
jednym z niewielu ośrodków na świecie, który może się poszczycić prowadzeniem
wieloletniego doboru sztucznego na populacjach myszy laboratoryjnych. Takie eksperymenty
selekcyjne są niezmiernie kosztowne i pracochłonne (z tysiącami osobników, które trzeba
przebadać pod kątem selekcjonowanej cechy), co dodatkowo przyczynia się do niezwykłej
wartości naukowej badań przeprowadzonych przez mgr Sadowską.
W celu porównania wydolności laktacyjnej samic selekcjonowach na wysoki i niski
BMR, mgr Sadowska zrezygnowała z tak zwanych laktacji naturalnych (z naturalną
wielkością miotów i podczas których samice wychowują swoje własne potomstwo), ze
względu na to że naturalna zmienność miotu wprowadziłaby dodatkowa zmienność
mierzonych parametrów laktacyjnych, takich jak wielkość młodych oraz tempo ich wzrostu,
jak również tempo asymilacji energii i produkcji mleka. Dodatkowym argumentem przeciwko
laktacjom naturalnym, jeśli chodzi o porównywanie dwóch linii selekcyjnych, jest
niemożność odseparowania efektów samicy od efektów młodych. Bardzo dobrym pomysłem
mgr Sadowskiej było przeprowadzenie eksperymentu laktacyjnego w ten sposób, że
wszystkie matki karmiły taką samą liczbę młodych, żadne z młodych nie było karmione przez
matkę biologiczna, oraz że połowa młodych w miocie pochodziła z linii selekcjonowanej na
wysoki metabolizm, a druga połowa z linii selekcjonowanej na niski BMR. Z niejakim
zdziwieniem natomiast przyjęłam fakt, że eksperymenty laktacyjne przeprowadzone były na
miotach składających się tylko z ośmiu młodych. Za optymalną wielkość miotu u myszy
laboratoryjnej przyjmuje się 10 młodych, gdyż przy takiej wielkości miotu, młode nie musza
konkurować o dostęp do sutków, których samica ma 10. Przy ośmiu młodych też oczywiście
nie dochodzi do takiej konkurencji, ale za to samica nie pracuje na maksymalnych obrotach, a
zatem nie osiągą swojej maksymalnej wydolności laktacyjnej. Dlatego, częstym zabiegiem
eksperymentalnym jest dawanie samicom myszy laboratoryjnej 12 lub 14 młodych,
szczególnie jak badania dotyczą czynników ograniczających maksymalną asymilację
pokarmu oraz maksymalną produkcję mleka. Nie ukrywam, że chciałabym się dowiedzieć,
dlaczego mgr Sadowska zdecydowała się na użycie 8 młodych w miocie, oraz jak według niej
zmuszenie samic do ‘cięższej’ pracy (poprzez zwiększenie liczy młodych w miocie) mogłoby
wpłynąć na wyniki badań.
4. Ocena wyników badań
Wyniki badań mgr Sadowskiej są imponujące i stanowią bardzo poważny wkład w burzliwą
dyskusję dotycząca ewolucji adaptacji fizjologicznych organizmów stałocieplnych, a w
7
szczególności ewolucji budżetów energetycznych ssaków. O jakości i znaczeniu tych badań
świadczy fakt, że zostały one ocenione pozytywnie przez co najmniej 12 niezależnych
recenzentów oraz trzech edytorów naukowych, zanim zostały opublikowane w prestiżowych
czasopismach o wysokim Impact Factor i międzynarodowym zasięgu. Fakt ten czyni moje
zadanie bardzo łatwe i przyjemne.
Pierwsza publikacja poświęcona jest kluczowemu zagadnieniu, czy różnice w
poziomie BMR miedzy selekcjonowanymi liniami myszy utrzymują się przez całe życie
osobników (a nie tylko w młodym wieku, kiedy osobniki są selekcjonowane) oraz jak na
utrzymywanie tych różnic wpływa reprodukcja. Pomiary metabolizmu u 47 samic z
genetycznie wysokim BMR oraz 52 samic z genetycznie niskim BMR, przeprowadzone w
wieku 12, 22 i 27 tygodni, z połową samic dopuszczoną do reprodukcji w wieku 14 tygodni,
jednoznacznie wykazały że różnice metaboliczne miedzy liniami utrzymują się przez całe
życie osobników, jak również w okresie reprodukcji.
Druga publikacja dotyczy eksperymentu laktacyjnego przeprowadzonego na 15
samicach z linii selekcjonowanej na wysoki BMR oraz 15 samicach z genetycznie niskim
BMR. Wszystkie samice wychowywały po osiem młodych, po cztery młode z linii na wysoki
i niski BMR. Pierwszy tydzień laktacji odbywał się w temperaturze 23°C, po czym w ósmym
dniu laktacji, matki z młodymi zostały przeniesione do temperatury 17°C. Mgr Sadowska
oraz jej współautorzy argumentują, że ekspozycja na niższą temperaturę otoczenia została
przeprowadzone po to żeby zabezpieczyć matki przed ograniczeniami laktacji wynikającymi
z tempa dysypacji ciepła, które według mnie dotknęłyby przede wszystkim matki z
genetycznie wysokim BMR. Uważam, że wynik ten byłby sam w sobie bardzo interesujący i
biorąc pod uwagę globalna zmianę klimatu, nie pozbawiony ekologicznego realizmu. Wyniki
eksperymentu laktacyjnego połączonego z ekspozycją na niższą temperaturę otoczenia są
klarowne i pokazują, że samice selekcjonowane na wysoki BMR charakteryzowały się w
takich warunkach środowiskowych wyższą wydolnością reprodukcyjna, ponieważ
wyprodukowały większe młode niż samice selekcjonowane na niski BMR. Innym
interesującym wynikiem jest wyższe tempo wzrostu młodych z linii o wysokim BMR,
niezależne od metabolizmu matek, ale obserwowane tylko w czasie pierwszego tygodnia
laktacji, w temperaturze 23°C. Nie jest jasne czy różnica ta utrzymywałaby się w dalszej
części laktacji, gdyby nie doszło do zmiany temperatury otoczenia (z 23 na 17°C).
Trzecia publikacja bazuje na bardzo podobnym układzie eksperymentalnym jak
poprzednia, z ośmioma młodymi w miocie (po cztery młode z obu linii selekcyjnych), z
pierwszą częścią laktacji przeprowadzoną w temperaturze 23°C oraz szczytem laktacji
8
odbywającym się w temperaturze 17°C. Tym razem u każdej z samic badane były dwie
kolejne laktacje, oddzielone okresem pięciu tygodni. Celem badań było porównanie ilości i
jakości mleka produkowanego przez samice selekcjonowane na wysoki i niski BMR. Matki o
genetycznie wysokim BMR produkowały więcej mleka niż matki z linii selekcjonowanej na
niski BMR, przy niewielkich różnicach dotyczących składu mleka. Różnice między liniami w
ilości produkowanego mleka obserwowane były zarówno w czasie pierwszej jak i drugiej
laktacji.
Imponujący materiał empiryczny wygenerowany przez mgr Sadowską jest spójny z
modelem wydolności asymilacyjnej, według którego długotrwała zwiększona asymilacja
pokarmu umożliwia intensywniejsze karmienie młodych i skuteczniejszą obronę gniazda, i
jako taka, mogła być cechą faworyzowaną przez dobór naturalny. Wyniki badań doktorantki
jednoznacznie wskazują na istnienie korelacji genetycznej między wydolnością
reprodukcyjną lakujących samic i ich BMR oraz wielkością organów wewnętrznych, co
przyczynia się do lepszego zrozumienia procesów ewolucyjnych zachodzących w przeszłości,
prowadzących do powstania stałocieplności u ptaków i ssaków. Publikacje dr Sadowskiej
dotyczące ewolucji stałocieplności mają zatem dużą szansę na wejście do kanonu literatury
naukowej w dziedzinie fizjologii ewolucyjnej ptaków i ssaków.
5. Podsumowanie i wnioski
Rozprawa doktorska mgr Julity Sadowskiej oceniam w całości jako bardzo oryginalna i
wartościową, oraz dotyczącą zagadnień o dużym znaczeniu i stopniu ogólności, a zatem
wnoszącą istotny wkład w rozwój dziedziny. Z całym przekonaniem stwierdzam, że rozprawa
doktorska mgr Julity Sadowskiej spełnia wymagania określone w art. 16 i 17 ustawy z dnia 14
marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie
sztuki (Dz. U. Nr 65, poz. 595 ze zm. w Dz. U. z 2005 r.). Wnioskuję więc o dopuszczenie
mgr Julity Sadowskiej do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Ponadto, ze względu na
wysoką wartość merytoryczną artykułów naukowych składających się na rozprawę, wnoszę o
wyróżnienie mgr Julity Sadowskiej stosowną nagrodą.
Dr hab. Elżbieta Król