Rola zegara biologicznego w regulacji procesów metabolicznych larw Spodoptera littoralis (Lepidoptera: Noctuidae)

Środowisko, a co za tym idzie warunki życia na Ziemi zmieniają się cyklicznie, jako konsekwencja rytmów geofizycznych wynikających z obrotu naszej planety wokół własnej osi i jej obiegu wokół Słońca. Czynnikami, które podlegają zmianom, jednocześnie wywierając najsilniejszy wpływ na organizmy, to między innymi światło, temperatura oraz dostępność pokarmu. W toku ewolucji organizmy wykształciły mechanizm przewidywania tych zmian i dostosowywały się do nich, cyklicznie zmieniając przebieg realizowanych funkcji życiowych. Jako że ma on cechy mechanizmu endogennego, a jego działanie opiera się o precyzyjne odmierzanie upływu czasu, został nazwany endogennym zegarem biologicznym. Przedmiotem badań, które zrealizowałam celem przygotowania niniejszej rozprawy, była identyfikacja i określenie udziału oscylatorów biologicznych w regulacji różnych procesów życiowych u form młodocianych owadów z przeobrażeniem zupełnym – u larw ćmy z gatunku Spodoptera littoralis. Tak jak zegar działa na wielu poziomach złożoności organizmów, tak w prowadzonych przeze mnie badaniach uwzględniłam wiele wątków dotyczących jego roli w utrzymaniu równowagi fizjologicznej u badanych larw. Widocznym skutkiem działania zegara biologicznego u zwierząt, w tym u owadów, są dobowe zmiany zachowania. W swoich badaniach skupiłam się na pobieraniu pokarmu, a otrzymane wyniki umożliwiły mi wyciągnięcie dwóch wniosków ważnych z punktu widzenia regulacji odżywiania u tych zwierząt. Po pierwsze, larwy S. littoralis wykazują zróżnicowaną w ciągu doby aktywność żerowania z wyraźną intensyfikacją tego procesu w czasie nocy. Po drugie, zmiany te nie są zależne od aktywności lokomotorycznej, albowiem ruchliwość tych zwierząt utrzymuje się na takim samym poziomie w ciągu całej doby. Zatem wyniki które uzyskałam wskazują, iż dobowy cykl pobierania pokarmu, obserwowany u larw S. littoralis reguluje zegar biologiczny, a proces ten znajduje się pod inną kontrolą niż ta związana z regulacją aktywności ruchowej. Aby sprawdzić w jaki sposób zegar biologiczny może generować dobowe zmiany aktywności pokarmowej larw, przeprowadziłam eksperymenty mające na celu określenie jego udziału w regulacji wybranych procesów fizjologicznych, a wśród nich dotyczących trawienia spożytego pokarmu. Analizowała dobowe zmiany aktywności enzymów trawiennych w przewodzie pokarmowym, enzymów biorących udział w przemianach katabolicznych i anabolicznych substancji odżywczych oraz badałam stężenie składników odżywczych w hemolimfie i ciele tłuszczowym larw. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdziłam, że transkrypcja niektórych spośród przebadanych przeze mnie genów jest pod kontrolą zegara biologicznego (stwierdziłam dobowe zmiany ilość mRNA genów kodujących -amylazę, apolipoforynę III oraz syntazę trahalozy), a regulacja ta najprawdopodobniej umożliwia zachowanie homeostazy organizmu, rozumianej w tym kontekście, jako niezmienne w ciągu doby stężenie substancji odżywczych w hemolimfie i ciele tłuszczowym. Za dobową regulację procesów fizjologicznych oraz behawioralnych odpowiada oscylator molekularny - element każdego zegara biologicznego, który mierzy upływający czas na podstawie okresu wyznaczanego trwaniem ekspresji genów, zwanych genami zegara biologicznego. Eksperymenty, które przeprowadziłam miały na celu scharakteryzowanie jak działa oscylatora molekularny w tych narządach larw, które cechują się wysokim poziomem metabolizmu, w tym narządów związanych z pobieraniem pokarmu i gromadzeniem substancji odżywczych. Scharakteryzowałam dobowy profil transkrypcji genów zegara biologicznego oraz jednego z białek kodowanych przez gen zegarowy, w komórkach mózgu, ciała tłuszczowego oraz jelita środkowego. Wyniki jakie uzyskałam dowodzą, że oscylator molekularny w badanych narządach najprawdopodobniej nie działa podług schematu nakreślonego w literaturze dla oscylatora owadów z grupy Lepidoptera. Ponadto stwierdziłam, że działanie to jest różne w każdym z narządów tj. specyficzne dla każdego z nich. Aby scharakteryzować zależności między działaniem oscylatora biologicznego, a odżywianiem larw, przeprowadziłam eksperymenty, podczas których analizowałam dobowy profil transkrypcji genów zegara biologicznego w jelicie środkowym osobników karmionych restrykcyjnie, czyli o określonych porach doby. Badania te dowiodły, że zależność ta jest dwukierunkowa – z jednej strony oscylator biologiczny odpowiada za dobowe zmiany intensywności żerowania, a z drugiej, przyjmowanie pokarmu może stanowić dla oscylatora informację o upływającym czasie – czego wymiernym efektem jest zmiana fazy cyklu ekspresji genów zegara biologicznego. Badania, które realizowałam przygotowując niniejszą dysertację dostarczyły nowych danych, nieznanych nauce i tym samym przyczyniają się one do rozszerzenia wiedzy z zakresu chronobiologii oraz ogólnej fizjologii owadów. Powiązania funkcjonalne między odżywianiem a zegarem biologicznym, określone tutaj dla larw Lepidoptera, obserwowane są również u ssaków, a wiele z nich wydaje się być bardzo podobna. Tym samym badania owadów w tym zakresie mogą śmiało stanowić alternatywę dla badań z wykorzystaniem ssaków – ewentualnie można je choćby wykorzystać przy kreśleniu kierunków jakimi powinny podążać znacznie kosztowniejsze i czasem budzące kontrowersje eksperymenty z użyciem ssaków, jako modeli badawczych. Niemniej istotne (i zamierzone) było wykorzystanie przeze mnie do badań larw S. littoralis, jako że jest to rozpowszechnionym na świecie szkodnik upraw, przeciwko któremu stosuje się różne środki ochrony roślin – przede wszystkim insektycydy żołądkowe. Zatem wszystkie dane, o regulacji ich odżywiania wydają się być bezcennymi.