Recenzja 1

Prof. dr hab. Jerzy Bańbura
Katedra Zoologii Doświadczalnej
i Biologii Ewolucyjnej
Uniwersytet Łódzki
ul. Banacha 12/16
90-237 Łódź
Łódź, 13 stycznia 2015 r.
Recenzja rozprawy doktorskiej mgr Julity Sadowskiej pt. „The parental
investment capacity and Basal Metabolic Rate correlation in mammalian
endothermy evolution”
Wykonana pod kierunkiem dr. hab. Andrzeja K. Gębczyńskiego rozprawa doktorska
mgr Julity Sadowskiej została przygotowana w języku angielskim, z polskim streszczeniem.
Jej główną część stanowi zestaw trzech odrębnych prac współautorskich, których Doktorantka
jest głównym autorem, a z których jedna już została wydrukowana (w Proceedings of the
Royal Society, B), zaś dwie pozostałe zostały przyjęte do druku w dwóch bardzo ważnych
czasopismach fachowych (Physiological and Biochemical Zoology oraz Journal of
Experimental Biology). Oprócz streszczenia w języku polskim i angielskim, trzy główne
prace zostały poprzedzone wstępem ogólnym (General Introduction) i zwieńczone wnioskami
ogólnymi (General Conclusions). Układ ten jest przejrzysty i odpowiada coraz częściej
spotykanej formule prac doktorskich zbudowanych na już uzyskanym dorobku publikacyjnym
doktoranta.
Rozprawa doktorska mgr Julity Sadowskiej dotyczy fundamentalnych problemów
ewolucji stałocieplności. Szczegółowym zamierzeniem było poddanie testowaniu
doświadczalnemu niektórych założeń i przewidywań modelu wydajności asymilacyjnej
(Assimilation Capacity Model), wywodzącego się z koncepcji Bennetta i Rubena (1979),
zwanej w literaturze modelem wydajności aerobowej (Aerobic Capacity Model). Projekt
doktorski mgr Julity Sadowskiej został zrealizowany z wykorzystaniem bardzo owocnego
1
systemu doświadczalnego linii myszy laboratoryjnych wielopokoleniowo selekcjonowanych
na niskie i wysokie tempo metabolizmu podstawowego (BMR), utrzymywanego w Instytucie
Biologii Uniwersytetu w Białymstoku. Decyzje dotyczące samego tematu, jak i wyboru
systemu doświadczalnego oceniam jako bardzo trafne.
Model wydajności aerobowej stanowi jedno z głównych wyjaśnień dla ewolucji
endotermicznej stałocieplności i jest szeroko akceptowany przez współczesną fizjologię
ekologiczną. Model ten przyjmuje, że termoregulacja metaboliczna sama w sobie nie była
pierwotnie przedmiotem doboru, a raczej powstała jako produkt uboczny doboru w kierunku
zwiększenia wydajności aerobowej potrzebnej do utrzymania długotrwałej aktywności. Czyli
dobór oddziaływał kierunkowo na maksymalne tempo metabolizmu tlenowego, a
termoregulacja była efektem ubocznym, uzyskanym w rezultacie korelacji między tempem
metabolizmu podstawowego a tempem maksymalnym. Wysokie podstawowe tempo
metabolizmu umożliwiło powstanie endotermicznej stałocieplności, co pozwoliło na
natychmiastowe podejmowanie aktywności i funkcjonowanie w zróżnicowanych warunkach
termicznych, przede wszystkim w warunkach niskiej temperatury, ale kosztem ogromnego
zwiększenia wydatków energetycznych.
Model wydajności asymilacyjnej (Koteja 2000) stanowi rozwinięcie koncepcji
Bennetta i Rubena (1979), dokonane poprzez zaproponowanie konkretnego aspektu
wzmożonej aktywności, wymagającej bardzo wysokiej i stałej wydolności tlenowej.
Aspektem tym jest intensywna opieka rodzicielska, która jest charakterystyczna dla
kręgowców endotermicznych, jakimi są ssaki i ptaki. Intensywna opieka nad potomstwem
znakomicie zwiększa jego szanse przeżycia i, tym samym, dostosowanie, ale jest bardzo
kosztowna energetycznie (zwiększone DEE), ze względu na konieczność pozyskiwania
bardzo dużych ilości pokarmu. Do tego niezbędna jest także wysoka aktywność metaboliczna
narządów wewnętrznych ciała odpowiedzialnych za asymilację dużych ilości pokarmu.
Zwiększone wydatki energetyczne utrzymujące się przez długi czas powinny być dodatnio
skorelowane z podstawowymi kosztami utrzymania (BMR).
Dobór sztuczny na wysokie i niskie tempo metabolizmu podstawowego myszy
laboratoryjnych w białostockim systemie doświadczalnym okazał się skuteczny i uzyskano
dwie wyraźnie różniące się linie. Wobec tego, mgr Julita Sadowska zdecydowała się w
ramach swojego projektu doktorskiego na testowanie modelu wydajności asymilacyjnej z
wykorzystaniem tych dwóch linii selekcyjnych. Pierwszym podjętym w tym celu krokiem
było zbadanie, czy dywergencyjne zróżnicowanie linii o wysokim i niskim metabolizmie
2
podstawowym jest stabilne w dłuższym okresie życia osobników, nawet w przypadku
zaistnienia znacznych zmian fizjologicznych. Taka stabilność potwierdzałaby skuteczność
selekcji i uzasadniała wykorzystanie wspomnianych linii selekcyjnych do właściwego
testowania modelu wydajności asymilacyjnej, polegającego na zbadaniu związku między
podstawowym tempem metabolizmu matek a ich wydajnością w zakresie inwestycji
rodzicielskiej. Wyjściowe założenie stabilności zróżnicowania między liniami selekcyjnymi
było testowane w pierwszej publikacji, która weszła w skład rozprawy, zaś pozostałe
elementy zostały rozdzielone pomiędzy dwie pozostałe publikacje.
Publikacja pierwsza, w momencie pisania tej recenzji mająca status przyjętej do druku
w Physiological and Biochemical Zoology, została zatytułowana „Effect of reproduction on
the consistency of the between-line type divergence in laboratory mice selected on BMR”. Z
grupy dostępnych samic myszy laboratoryjnych reprezentujących 38-me pokolenie selekcyjne
doktorantka (ze współautorami) wyodrębniła grupy eksperymentalną i kontrolną, zawierające
w mniej więcej jednakowych proporcjach myszy selekcjonowane na wysokie i na niskie
BMR. Grupa kontrolna była utrzymywana bez kojarzenia rozrodczego, zaś zabieg
eksperymentalny zastosowany do drugiej grupy samic polegał na dopuszczeniu ich do
kojarzenia oraz urodzenia i odchowania potomstwa. W obu grupach dokonano pomiaru BMR
(respirometria przepływowa)w wieku 12 tygodni (czyli w grupie eksperymentalnej przed
dopuszczeniem do kojarzenia), a następnie w wieku 22 i 27 tygodni. Po ostatnim pomiarze
pozyskano także do pomiarów narządy wewnętrzne i brunatną tkankę tłuszczową.
Doktorantka i współautorzy wykazali, że zróżnicowanie w BMR między liniami
selekcjonowanymi na jego wysoką i niską wartość utrzymuje się konsekwentnie w kolejnych
pomiarach zarówno w grupie kontrolnej, jak i w grupie poddanej zabiegowi rozrodczemu.
Równocześnie powtarzalność BMR okazała się istotna tylko dla linii selekcjonowanej na
wysokie BMR w zabiegu kontrolnym. Wykryto także efekt samego zabiegu
eksperymentalnego na BMR w pomiarze bezpośrednio po rozrodzie, zaś efekt ten zanikł dla
ostatniego pomiaru. Zróżnicowaniem między liniami selekcyjnymi odznaczała się masa
narządów wewnętrznych aktywnych metabolicznie, ale nie było różnicy między zabiegiem
kontrolnym a eksperymentalnym.
Druga publikacja, „Basal metabolic rate is positively correlated with parental
investment in laboratory mice”, opublikowana została w Proceedings of the Royal Society B
w roku 2013. Dla zbadania związku między BMR samicy a jej inwestycją w potomstwo
doktorantka skonstruowała rodziny eksperymentalne, gdzie 30 samicom (po 15 z dwóch linii
selekcyjnych) krótko po porodzie zabrano ich potomstwo, a przydzielono mioty
3
eksperymentalne złożone z 8 młodych, po 4 z każdej z dwóch linii selekcyjnych. Zgodnie z
oczekiwaniami, wykazano, że samice z linii selekcjonowanej na wysokie BMR wykazywały
większą wydajność w opiece nad potomstwem (wzrost młodych), cechowały się większą
konsumpcją pokarmu i cięższymi narządami wewnętrznymi niż samice z linii niskiego BMR.
Młode reprezentujące linię wysokiego BMR rosły szybciej w ciągu pierwszego tygodnia
życia niż młode z linii niskiego BMR.
Trzecia praca, „Milk output and composition in mice divergently selected for basal
metabolic rate”, znajduje się obecnie w druku w Journal of Experimental Biology. Próba
samic z obu linii selekcyjnych była dwukrotnie kojarzona rozrodczo w celu uzyskania dwóch
okresów produkcji mleka. Krótko po urodzeniu potomstwa zastępowano własny miot samicy
miotem eksperymentalnym, złożonym z 8 młodych w wyrównanej proporcji z obu linii
selekcyjnych. W pierwszym tygodniu karmienia miotów rodziny trzymano w temperaturze
23ºC, a w drugim tygodniu w 17ºC w celu zwiększenia wymagań energetycznych matek.
Badano produkcję mleka i jego skład. Okazało się, że samice z linii selekcjonowanej na
wysokie BMR w obu okresach karmienia produkowały więcej mleka niż samice z linii
niskiego BMR. Mleko samic z linii wysokiego BMR zawierało mniejsze stężenie białek, ale
większe stężenie węglowodanów niż mleko samic z linii niskiego BMR. Wyniki wskazują na
pozytywny związek między BMR a zdolnościami laktacyjnymi samic.
Wyniki zawarte w publikacjach składających się na rozprawę doktorską mgr Julity
Sadowskiej są wyrazem zakończonej sukcesem realizacji zamierzeń. Doktorantka wykazała,
że system doświadczalny bazujący na dwóch liniach myszy selekcjonowanych na tempo
metabolizmu podstawowego daje efekty stabilne w czasie życia osobników, co pozwala na
wykorzystanie go do testowania różnych koncepcji, w tym hipotez dotyczących ewolucji
endotermii. Testowanie modelu wydolności asymilacyjnej, będące zasadniczym
zamierzeniem doktorantki, przyniosło rezultaty zgodne z tą hipotezą. Doktorantka wykazała
związek genetyczny między BMR matek a ich efektywnością w zakresie opieki rodzicielskiej,
w tym w zakresie ilości i właściwości produkowanego mleka.
Fakt, że rozprawa doktorska jest oparta o prace już opublikowane w renomowanych
czasopismach międzynarodowych jest dla recenzenta rozprawy wygodny, gdyż oznacza, że
prace te przeszły przez bardzo wymagającą procedurę recenzyjną, co stanowi gwarancję ich
jakości. Z drugiej strony forma prac jest dopasowana do wymagań poszczególnych
czasopism, które na ogół żądają zwięzłości i unikania szerszych spekulacji. Dlatego ważnym
zadaniem rozdziałów dodatkowych rozpraw doktorskich bazujących na pracach już
4
opublikowanych powinno być szersze omówienie tła teoretycznego, metod i implikacji
wyników zawartych w pracach szczegółowych. Rozdziały „General Introduction” i „General
Conclusions” rozprawy doktorskiej mgr Julity Sadowskiej są taką próbą szerszego
wprowadzenia w temat i podsumowania całości. Chociaż są to rozdziały interesujące i bardzo
wartościowe, to brakuje mi w nich przede wszystkim precyzyjnego porównawczego
omówienia alternatywnych wyjaśnień ewolucji endotermii. Przeprowadzenie takiego
porównania pozwoliłoby wypunktować założenia i przewidywania unikalne i wspólne dla
różnych teorii. Dopiero w ostatnim zdaniu rozdziału konkludującego rozprawę padło
stwierdzenie, że model wydolności tlenowej i hipoteza Farmera (2010) nie wykluczają się
wzajemnie. Oba te modele uznają inwestycję w opiekę rodzicielską za główny czynnik
doboru, który ostatecznie doprowadził do wyewoluowania endotermii, ale różnią się co do
poglądu, która właściwość ewoluowała najpierw – wysoka stała temperatura ciała (Farmer)
czy wysoka wydolność tlenowa (Bennett, Ruben, Koteja). Czy jest jeszcze więcej hipotez,
które się wzajemnie nie wykluczają? Jakie testy właściwości fizjologicznych wspierałyby
jedne z nich, a falsyfikowały inne? Czy w ramach samej fizjologii ekologicznej testowanie
różnicujące hipotez ewolucji endotermii jest możliwe, czy raczej będzie musiało zostać
uzupełnione o dodatkowe narzędzia genetyczne (Nespolo et al. 2011)? Te pytania wydają się
ważne dla całego obszaru wiedzy dotyczącego endotermii i oczywiście trudno wymagać
odpowiedzi na nie w pojedynczej rozprawie doktorskiej.
Bez wahania można stwierdzić, że przyczynek do wiedzy, jaki stanowi zestaw
publikacji, które weszły w skład rozprawy doktorskiej mgr Julity Sadowskiej jest bardzo
znaczący. Jest to poważny wkład do nauki. Bezprzedmiotowe byłoby zastanawianie się w tej
chwili, czy jakieś elementy konstrukcji eksperymentów czy wielkości prób, bądź analiza
statystyczna nie mogłyby być ustawione w inny sposób. Stan faktyczny w przypadku prac
składających się na recenzowaną rozprawę jest bardzo dobry. Z tego, że w niektórych
przypadkach liczba myszy doświadczalnych mogłaby być większa doktorantka zdaje sobie
doskonale sprawę, bo sama to podkreślała. To jest stała bolączka prac doświadczalnych na
materiale zwierzęcym. Konstrukcja eksperymentów, w tym wykorzystanie specjalnie
zaplanowanych miotów młodych myszy, jest znakomicie przemyślana.
Podsumowując, wysoko oceniam znaczenie naukowe tematyki rozprawy doktorskiej
mgr Julity Sadowskiej, jak również dobór zamierzeń oraz metodyki doświadczalnej i
analitycznej, a także poprawność wnioskowania. Jestem entuzjastą formy, jaką prezentuje ta
rozprawa, tj. zbioru publikacji obudowanego syntetycznymi rozdziałami dodatkowymi
5
przedstawiającymi tło oraz wnioski. Uznaję recenzowaną rozprawę doktorską za
wyróżniającą się. Z całym przekonaniem wnioskuję o dopuszczenie mgr Julity
Sadowskiej do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Ze względu na ogromną
wartość naukową publikacji, które stanowią składowe tej rozprawy i znakomitą całość,
wnioskuję o wyróżnienie doktorantki nagrodą.
6