Badanie mechanizmów zegara biologicznego europejskich i inwazyjnych owadów
Prawie wszystkie organizmy na Ziemi żyją zgodnie z pewnymi wewnętrznymi cyklami – naturalnymi rytmami biologicznymi, które mają wpływ na wszystkie aspekty fizjologiczne i behawioralne. Najpowszechniej znany jest 24-godzinny rytm dobowy, który wykształcił się, aby odzwierciedlić regularne następowanie po sobie dnia i nocy spowodowane obracaniem się Ziemi wokół własnej osi. Jednym ze skutków globalnej zmiany klimatu, jaki możemy już teraz zaobserwować, jest systematyczne zasiedlanie Europy przez owady tropikalne. Badanie zarówno zegarów biologicznych tychże owadów, jak i mechanizmów stojących za ich synchronizacją do zewnętrznych warunków środowiska jest ogromnie ważnym zadaniem ze względu na fakt, że wiele z tych gatunków stwarza zagrożenie jako szkodniki lub potencjalne wektory chorób. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu CINCHRON naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów, które miały wyjaśnić, jaki wpływ na zegar biologiczny na poziomie molekularnym i neuronalnym mają bodźce środowiskowe, takie jak np. światło i ciemność, ciepło i zimno. Głównym przedmiotem badań był modelowy owad – gatunek muszki owocowej Drosophila – ze względu na dostępność bogatego repertuaru narzędzi w zakresie genetyki molekularnej. „Wraz z globalnym ociepleniem zarówno owady będące szkodnikami upraw, jak i gatunki istotne z medycznego punktu widzenia, takie jak komary, stopniowo rozszerzają swój zasięg geograficzny”, wyjaśnia Charalambos Kyriacou, profesor genetyki behawioralnej na Uniwersytecie w Leicester. „Musimy zrozumieć zmiany w ich okołodobowych zachowaniach i powiązanych sezonowych odpowiedziach w postaci hibernacji, jakie mają miejsce w ramach procesu dostosowywania się do nowych warunków klimatu umiarkowanego”, dodaje.
Zrozumieć mechanizmy zegarów biologicznych
Projekt CINCHRON, realizowany dzięki wsparciu działań „Maria Skłodowska-Curie”, miał kilka głównych celów, w tym rozszerzenie badań nad zegarem biologicznym, aby uwzględnić owady o znaczeniu gospodarczym. Należą do nich pasożytnicza osa z gatunku Nasonia vitripennis, którą można wykorzystać jako biologiczny środek kontroli dzięki jej zdolności do pasożytowania na szkodnikach i w efekcie uśmiercania ich, mszyca grochowa (Acyrthosiphon pisum), główny szkodnik grochu i lucerny, oraz gajóweczka oliwkowa (Bactrocera oleae), która atakuje oliwkę europejską. „Prowadziliśmy także badania dotyczące dwóch bardzo pożytecznych owadów – jedwabnika morwowego i trzmiela”, mówi Kyriacou. Innym ważnym celem projektu było wyszkolenie nowej grupy doktorantów z zakresu technik neurogenetyki molekularnej i porównawczej owadów.
Nowe spojrzenie na chronobiologię owadów
Zespół CINCHRON może się pochwalić uzyskaniem istotnych wyników w czterech obszarach tematycznych chronobiologii związanej z cyklem dobowym, porami roku, metabolizmem i przydatnością handlową owadów. Jeśli chodzi o biorytm dobowy, udało się znacząco poszerzyć wiedzę na temat tego, jak zegar biologiczny utrzymuje swoje cykle dobowe w różnych temperaturach, co składa się na zjawisko znane jako kompensacja temperatury. „Mówiąc prościej, u muszki niektóre neurony odpowiedzialne za działanie wewnętrznego zegara »tykają« szybciej pod wpływem wysokich temperatur, podczas gdy inne »tykają« szybciej pod wpływem zimna, więc komunikacja między nimi zapewnia skompensowany stabilny 24-godzinny rytm w różnych temperaturach”, wyjaśnia Kyriacou. Jeśli chodzi o biologię rytmów związanych z porami roku, uczeni odkryli, że owady żyjące w Skandynawii cechowały się bardziej elastycznymi zachowaniami okołodobowymi niż gatunki w południowej Europie, a ponadto łatwo dostosowywały się do ekstremalnych zakresów temperatur i sezonowych zmian w ilości światła. Co istotne, takie rozluźnienie kontroli rytmu dobowego stanowi dużą zaletę w przypadku inwazyjnego gatunku, który musi się przystosować do bardziej ekstremalnych warunków środowiskowych.
Kształcenie nowego pokolenia entomologów
Pozyskane fundusze zostały wykorzystane do przeszkolenia 15 nowych doktorantów z zakresu nowoczesnej porównawczej chronobiologii molekularnej owadów – jednej z ważniejszych młodych dyscyplin naukowych. Ponadto zespół badawczy ma już na swoim koncie siedemnaście publikacji naukowych. „Finansowanie unijne przyczyniło się przede wszystkim do przeszkolenia młodych ludzi w dziedzinie, która rozwija się niezwykle szybko, zarówno pod względem akademickim, jak i wartości komercyjnej”, zauważa Kyriacou. „Wartość dodaną stanowi fakt, że laboratoria będące gospodarzami projektu mogły odnieść korzyści dzięki publikacjom naukowym dotyczącym wyników projektu”.
Słowa kluczowe
CINCHRON, owady, chronobiologia, dobowy, rytm, zmiana klimatu, genetyczny, narzędzia