Projekt realizowany, kierownik projektuFluktuacje termiczne środowiska oraz zmienność geograficzna pasożyta (nicień owadobójczy, Steinernema feltiae) jako czynniki wpływające na jego infekcyjność względem gospodarza (trojszyk gryzący, Tribolium castaneum)
Finansowanie: Narodowe Centrum Nauki, program Opus
Matematycznym modelem typowej odpowiedzi zwierząt ektotermicznych na warunki termiczne jest asymetryczna funkcja, gdzie najwyższe wartości danej cechy (ang. performance dalej osiągi) są maksymalizowane w temperaturze pośredniej dla całego zakresu możliwych do przeżycia dla danego gatunku temperatur. Parametry krzywych osiągów umożliwiają porównywanie ich kształtu pomiędzy organizmami/gatunkami i wnioskowanie o relacjach wewnątrz i międzygatunkowych w danych warunkach termicznych. Co jest szczególnie istotne, a najczęściej zaniedbywane, na parametry krzywych ma wpływ zakres zmienności temperatur w otoczeniu danego organizmu. Pomimo, że krzywe osiągów pozwalają na dokładne sprecyzowanie wymagań termicznych, jak dotąd słabo poznany jest ich związek ze strategiami życiowymi danego organizmu. Zmiany w strategiach życiowych natomiast, mogą być związane również podstawowym parametrem osobniczym, jakim jest rozmiar ciała. Zakłada się, że zwierzęta ektotermiczne rosną wolniej w niskich temperaturach, dojrzewają później i w ostateczności osiągają większe rozmiary ciała niż zwierzęta żyjące w wyższych temperaturach (ang. temperature-size rule TSR), ale szczególnie w przypadku zwierząt bezkręgowych notuje się wiele odchyleń od tej reguły (np. Orthoptera). Powoduje to, że tematyka zmian wielkości ciała jest obecnie przedmiotem dyskusji pomiędzy naukowcami, a jako jedno z wyjaśnień podaje się zmiany w wielkości i/lub liczbie komórek. By wziąć pod uwagę zarówno czysto naukowe jak i praktyczne aspekty wpływu zmiennych warunków termicznych na organizmy i ich interakcje, proponujemy badania nad dwoma zwierzętami zmiennocieplnymi: chrząszczem zaliczanym do szkodników (Tribolium castaneum) oraz pasożytniczym nicieniem owadobójczym (Steinernema feltiae). Wybraliśmy prosty ze względu na hodowlę i dostępność model relacji typu pasożyt-gospodarz. W badaniach zamierzamy użyć dzikich szczepów nicieni pochodzących z różnych szerokości geograficznych (o szerokim zakresie warunków termicznych).
Projekt realizowany, główny wykonawcaRola wielkości komórek w kształtowaniu allometrii tempa metabolizmu i zależności wielkości ciała od temperatury - doświadczalne testowanie hipotez i budowa teorii ewolucji strategii życiowych zintegrowanej z fizjologią i biologią komórki
Kierownik projektu:
Finansowanie: Narodowe Centrum Nauki, program Maestro
Podstawy teoretyczne: Teoria allometrycznego skalowania autorstwa Westa i innych (1997), będąca głównym filarem tzw. metabolicznej teorii ekologii (ang. MTE), została podważona, a aktualnie wyjaśnienia skalowania tempa metabolizmu są nakierowane na procesy zachodzące w komórkach (Agutter i Tuszyński 2011). Chociaż model skalowania proponowany przez Kozłowskiego i innych (2003a) jest oparty na biologii komórki, w świetle badań ostatnich lat musi on zostać zmodyfikowany. Biorąc pod uwagę, że duże komórki mają niższy stosunek powierzchni do objętości, powinny one być tańsze w utrzymaniu, ponieważ mniej ATP jest potrzebne do utrzymania gradientów jonowych na błonach komórkowych. Pierwotnie model komórkowy przewidywał, że ten mechanizm w pełni wyjaśnia tempo skalowania metabolizmu z rozmiarami ciała. Wprawdzie dowody eksperymentalne wykazują niezbicie związek między wielkością komórek i tempem metabolizmu u różnych grup organizmów, ale zależność między wielkością komórek i masą jest zbyt mało stroma, by w pełni wyjaśniać wykładniki skalowania tempa metabolizmu. Nie powinno to być niespodzianką: tylko część metabolizmu, rzędu 20%, jest zużywana na podtrzymywanie gradientów na błonach komórkowych. Nasza aktualna i niepublikowana jeszcze hipoteza brzmi następująco. Tempo metabolizmu w przeliczeniu na jednostkę masy musi spadać z masą w jej szerokim zakresie z powodu ograniczeń konstrukcyjnych. U kręgowców, u których tlen jest rozprowadzany przez układ krwionośny, utrzymywanie tempa metabolizmu ze wzrostem masy ciała na tym samym poziomie wymagałoby izometrycznego wzrostu ilości krwi w kapilarach, co oznaczałoby nieproporcjonalnie szybki wzrost ilości krwi w naczyniach doprowadzających, nie uczestniczących bezpośrednio w wymianie gazowej. Ewolucja takich organizmów w szerokim zakresie masy ciała jest fizycznie niemożliwa, ponieważ tego typu duże zwierzęta składałyby się prawie wyłącznie z układu krążenia. Aby utrzymać proporcję krwi w organizmie na mniej więcej takim samym poziomie przy wzrastającej masie ciała, gęstość kapilar musi maleć (proporcjonalnie mniej krwi kapilarnej), co redukuje dostawy tlenu do tkanek, a zatem i metabolizm. Tkanki o niższym na jednostkę masy metabolizmie wymagają mniej zasobów i tlenu, co powinno prowadzić do obniżenia zagęszczenia mitochondriów lub zmniejszenia ich aktywności poprzez modyfikacje błon mitochondrialnych. Jeśli równocześnie zwiększają się rozmiary komórek, mniejsza frakcja tlenu i innych zasobów będzie zużywana na utrzymanie błon komórkowych, a większa na efektywną pracę. Natomiast wysokie zapotrzebowanie na tlen lub niskie stężenie parcjalne tlenu powinny faworyzować małe rozmiary komórek, ponieważ ich błony stanowią gęstą sieć, po której rozprowadzany jest tlen. Podobne rozumowanie można przeprowadzić dla innych niż u kręgowców sposobów rozprowadzania tlenu, np. poprzez tchawki u owadów. Podsumowując, zwiększanie rozmiarów komórek z masą ciała nie jest jedynym mechanizmem odpowiedzialnym za ujemną allometrię tempa metabolizmu. Związek przyczynowo-skutkowy jest następujący: niski metabolizm możliwe są większe komórki powodując jeszcze niższy metabolizm. Przy czym jest to uzależnione od ograniczeń w długodystansowym transporcie tlenu. U zwierząt zmiennocieplnych optymalna wielkość komórek powinna zależeć od temperatury. Wyższa temperatura powoduje zwiększenie zapotrzebowania na tlen, co faworyzuje małe, kosztowne w utrzymaniu komórki dobrze rozprowadzające tlen. Niskie temperatury obniżają tempo metabolizmu poprzez ograniczenie tempa procesów wewnątrz komórki, powodując, że duże tanie w utrzymaniu komórki są optymalne. Teoria ta może wyjaśnić, dlaczego pewne zwierzęta zmiennocieplne mają małe komórki jeśli są hodowane w cieple i przy niskiej zawartości tlenu, może także wyjaśniać klinalną zmienność geograficzną rozmiarów komórek. Teoria ta może być użyta także w wyjaśnianiu roli wielkości komórek w kształtowaniu tzw. temperature-size rule (TSR; zwierzęta zmiennocieplne rosną wolniej w niskiej temperaturze, ale przeważnie dorastają ostatecznie do większych rozmiarów, poprzez wydłużenie fazy wzrostu).
Naukowe (wybrane, pełna lista w CV)
Kramarz P.E., de Vaufleurey A., Zygmunt P.M.S., Verdun C. 2007. Increased response to cadmium and Bt maize toxicity in the snail Helix aspersa infected by the nematode Phasmarhabditis hermaphrodita. Environmental Toxicology and Chemistry 26:73-79
PDF
Kramarz P.E., De Vaufleury A., Carey M. 2007. Studying the effect of exposure of the snail Helix aspersa to the purified Bt toxin, Cry1Ab. Applied Soil Ecology 37:169-172
PDF
Kramarz P., de Vaufleury A., Gimbert F., Cortet J. 2009. Effects of Bt-maize material on the life cycle of the land snail Cantareus aspersus. Applied Soil Ecology 42: 236-242
PDF
Laskowski R. , Bednarska A.J., S Kramarz P.E., Loureiro S., Scheil V., Kudłek J., Holmstrup M. 2010 Interactions between toxic chemicals and natural environmental factors - A meta-analysis and case studies. Science of the Total Environment 408: 3763-3774
PDF
Holmstrup M., Bindesbol A.-M., Oostingh G.J., Duschl A., Scheil V., Köhler H.-R., Loureiro S., Soares A.M.V.M., Ferreira A.L.G, Kienle C., Gerhardt A., Laskowski R., Kramarz P.E., Bayley M., Svendsen C., Spurgeon D.J. 2010 Interactions between effects of environmental chemicals and natural stressors: A review. Science of the Total Environment 408: 3746-3762
PDF
Popularnonaukowe (wybrane, pełna lista w załączonym CV)
Kramarz P., 2004. Nicienie entomopatogeniczne stosowane do ochrony upraw. Bioskop 4: 24-27
PDF
Proponowane zagadnienia do prac licencjackich i magisterskich
Zmienność warunków termicznych jako czynnik warunkujący odpowiedź zwierząt ektotermicznych na temperaturę.
Wpływ warunków termicznych środowiska na układ gospodarz-pasożyt u bezkręgowców.
Rola bakterii symbiotycznych w infekcyjności nicieni owadobójczych.
Czy ochrona biologiczna upraw może zastąpić chemiczne pestycydy? (praca teoretyczna)
Metody biotechnologiczne w ochronie przyrody
Grupy mikroorganizmów. Główne zanieczyszczenia wód, ścieki i ich rodzaje. Wysypiska jako źródła zanieczyszczeń wód. Procesy samooczyszczania się rzek i jezior. Użycie osadu czynnego do oczyszczania ścieków. Biologiczne metody usuwania azotu i fosforu w osadzie czynnym. Budowa i działanie złoża, usuwanie biogenów w złożach. Porównanie osadu czynnego ze złożem. Wykorzystanie procesów beztlenowych (fermentacja metanowa). Stabilizacja osadów, przeróbka osadów ściekowych oraz wysypisk, zagospodarowanie odpadów. Produkcja biogazu oraz kompostu. Usuwanie metali ze środowiska. Mikrobiologiczne ługowanie metali. Zastosowanie filtrów biologicznych do usuwania zanieczyszczeń powietrza. Biotechnologia odsiarczania węgla i ropy naftowej. Bioremediacja gleb. Zastosowanie metod biotechnologicznych w produkcji paliw odnawialnych. Biopaliwa, wady i zalety. Produkcja biologicznych plastików opartych o biopolimery. Użycie biosensorów w monitoringu skażenia środowiska.
Fotografia przyrodnicza
Kurs ten prowadzę wspólnie z prof. dr hab. Ryszardem Laskowskim, na którego stronie mogą Państwo znaleźć opis kursu i wykłady przez niego prowadzone. Poniżej galerie zdjęć studentów.
link do galerii studentów z roku 2009/10
link do galerii studentów z roku 2010/11
Punktacja zdjęć z poszczególnych ćwiczeń, rok 2011/12:
Ewolucjonizm
Kurs ten prowadzę wspólnie z prof. dr.hab. Janem Kozłowskim i dr. Marcinem Czarnołęskim. Poniżej linki do ich stron oraz pliki z ocenami z testów w roku akademickim 2011/12:
Marcin Czarnołeski, materiały do ćwiczeń.
Polecam też strone czasopisma Nature z materialami do nauki nie tylko ewolucjonizmu:
Koordynuje również kurs "Practical environmental biotechnology" w ramach projektu: Utworzenie anglojęzycznych interdyscyplinarnych studiów doktoranckich o specjalności ekologia i wzmocnienie potencjału dydaktycznego kadry Instytutu Nauk o Środowisku Uniwersytetu Jagiellońskiego.