Jak to się dzieje, że przedstawiciele niektórych gatunków zwierząt żyją dużo dłużej, niż ich kuzyni podobnej wielkości? Jakie fizjologiczne mechanizmy za to odpowiadają i czy wiedza o nich może być przydatna dla badań np. nad kondycją i długością życia ludzi? Odpowiedzi będzie poszukiwać zespół naukowców pod kierunkiem prof. dr. hab. Marka Konarzewskiego z Wydziału Biologii Uniwersytetu w Białymstoku. Naukowiec zdobył dofinansowanie na badania – ponad 500 tys. zł – z Narodowego Centrum Nauki.

Badacze przyjrzą się bliżej popielicy szarej – gryzoniowi występującemu m.in. w niektórych lasach na terenie Polski.

- Popielica jest dla nas idealnym modelem badawczym, bo zwierzęta te żyją nawet 12-13 lat. Chcemy się dowiedzieć, jak to się dzieje, że mimo niewielkich rozmiarów ciała popielice żyją kilkukrotnie dłużej niż ich kuzyni, np. mysz domowa – mówi prof. Marek Konarzewski. - Oczywiście interesują nas nie tyle te konkretne zwierzęta, ile niezwykle intrygujący problem: co sprawia, że można żyć długo?

Jak wyjaśnia badacz, punktem wyjścia naukowych dociekań będzie teoria historii życiowych - jedna z podstawowych teorii, na których opierają się założenia ekologii ewolucyjnej. Przewiduje ona, że u dorosłych ssaków ograniczone zasoby energetyczne rozdzielane są na zasadzie kompromisu pomiędzy dwa główne procesy: podtrzymanie podstawowych funkcji życiowych (takich jak termoregulacja, zwalczanie infekcji, itp.) i rozród. Zużywanie zasobów energetycznych na rozmnażanie odbija się na kondycji organizmu. Jednak mimo wielu prac dokumentujących istnienie fizjologicznych kosztów rozrodu w życiu zwierząt, a nawet i ludzi, do dziś nie udało się precyzyjnie zidentyfikować fizjologicznych mechanizmów odpowiedzialnych za ich istnienie.

- W ostatnich latach coraz częściej sugeruje się, że mechanizmem tym jest stres oksydacyjny polegający zaburzeniu równowagi pomiędzy produkowanymi w komórce reaktywnymi formami tlenu (RFT), zwanymi również wolnymi rodnikami tlenowymi, a efektywnością procesów naprawiających uszkodzenia wyrządzane przez RFT. Rozród wiąże się ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię i składniki odżywcze, co przyczynia się do podwyższenia tempa metabolizmu i zwiększonej produkcji RFT. Jednakże dotychczasowe wyniki badań, zgłębiających znaczenie uszkodzeń wyrządzanych przez RFT podczas rozrodu, pozostają niejednoznaczne – dodaje prof. Konarzewski.

Zdaniem białostockiego naukowca, powodem może być wybór nieodpowiedniego modelu badawczego. Zdecydowana większość dotychczasowych doświadczeń została bowiem przeprowadzona na krótko żyjących zwierzętach, których strategie życiowe polegają na szybkim i intensywnym rozrodzie. Zwierzęta te charakteryzuje duża śmiertelność powodowana przez czynniki środowiskowe (np. drapieżnictwo), a zatem bardziej opłaca im się inwestować energię w szybki rozród i przekazanie swoich genów, niż w naprawę wyrządzonych podczas rozrodu uszkodzeń.

Do dwuznaczności wyników mógł się też przyczynić fakt, że eksperymenty odbywały się w warunkach laboratoryjnych, kontrolowanych. Zwierzęta miały nieograniczony dostęp do pokarmu i nie musiały wydatkować energii np. na termoregulację. To z kolei nie wymuszało rozdzielania zasobów pomiędzy konkurencyjne cele – rozród oraz regenerację - i pozwalało podtrzymywać wszystkie funkcje organizmu jednocześnie.

- Nasz model zwierzęcy wydaje się dużo bardziej adekwatny do takich badań. Popielice żyją dłużej i przystępują do rozrodu wielokrotnie w trakcie życia, a każdy ich miot stanowi tylko niewielki ułamek życiowego sukcesu reprodukcyjnego. Przewidujemy zatem, że zwierzęta te powinny inwestować w mechanizmy naprawcze, aby zwiększyć swoje szanse na przeżycie do przyszłego rozrodu. Ponadto popielice są zwierzętami hibernującymi. Oznacza to, że w okresie gdy dostęp do pokarmu jest utrudniony, a warunki klimatyczne niekorzystne, popielice zapadają w stan odrętwienia i pozostają nieaktywe w podziemnych norach. Gatunek ten jest jednym z rekordzistów jeśli chodzi o długość hibernacji i potrafi pozostawać nieaktywny nawet do 11 miesięcy w roku. Dlatego zwierzęta te, w trakcie bardzo krótkiego sezonu aktywności (2-4 miesiące), muszą zregenerować zasoby energetyczne po hibernacji, przystąpić do rozrodu, a następnie przygotować się do przeżycia kolejnej zimy. Co najważniejsze, sama hibernacja związana jest ze stresem oksydacyjnym oraz ze znacznie obniżoną odpornością immunologiczną, co skutkuje dodatkowymi wydatkami energetycznymi ponoszonymi na regenerację organizmu zaraz na początku sezonu aktywności. Najprawdopodobniej jest to powód, dla którego popielice w latach ograniczonego dostępu do pokarmu nie przystępują do rozrodu. Zakładamy zatem, że przeprowadzenie eksperymentu na zwierzęciu długowiecznym, które jednocześnie zmuszone będzie do wydatkowania energii na inne cele, jak regeneracja po odbytej hibernacji, umożliwi nam jednoznaczną detekcję fizjologicznych kosztów rozrodu – tłumaczy prof. Konarzewski.

Badacze pracujący pod kierunkiem prof. Marka Konarzewskiego będą swoje badania prowadzić w terenie – w warunkach naturalnych oraz zbliżonych do naturalnych. Autor pomysłu liczy, że synergia tych dwóch form przyniesie lepsze efekty.

- Popielice nie występują w okolicach Białegostoku, ale znakomicie sobie radzą w Puszczy Kozienickiej, położonej na północny wschód od Radomia. Tam od lat badania terenowe tych gryzoni prowadzi mój współpracownik i przyjaciel dr hab. Zbigniew Borowski, który doskonale zna gatunek i tamtejszą populację. To w dużej mierze dzięki jego zachęcie zajmę się popielicami. Będziemy badać zwierzęta na miejscu, ale dodatkowo kilkanaście sztuk przeniesiemy do specjalnych, dużych wolier, które staną na terenie Stacji Badawczej Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Mikołajkach. Stworzymy im tam warunki do rozrodu, ale też będziemy obserwować, jak na ich fizjologię wpłynie nieograniczony dostęp do pokarmu. Będziemy więc symulować sytuację nadmiaru pożywienia - trochę tak, jak to się dzieje w naszych współczesnych ludzkich populacjach, i co negatywnie wpływa na nasze zdrowie. Być może stwarzając podobny model „nadmiernego dobrobytu” u popielic uda nam się dowiedzieć czegoś nowego, ciekawego o funkcjach fizjologicznych.

Jak podkreśla prof. Konarzewski, możliwość skorzystania z infrastruktury stacji ma duże znaczenie dla planowanych badań, bo jednostka ta jest właśnie rozbudowywana i niebawem wzbogaci się o zestaw bardzo precyzyjnych sensorów, które umożliwią monitorowanie popielic. 

Oprócz Wydziału Biologii UwB oraz Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN, w realizację projektu będzie zaangażowany Instytut Badawczy Leśnictwa oraz Instytut Badania Ssaków w Białowieży, z którym białostoccy biolodzy współpracują od wielu lat. Prof. Konarzewski ma nadzieję, że uda mu się też włączyć do współpracy Uniwersytet Weterynaryjny w Wiedniu, którego pracownicy od dawna prowadzą badania nad popielicami.

Ważnym elementem projektu będzie też zatrudnienie młodego badacza, który będzie realizował prace badawcze na potrzeby rozprawy doktorskiej. Takie jest założenie konkursu PRELUDIUM BIS zorganizowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

- Najpierw muszę podpisać umowę z NCN i wtedy będę mógł ogłosić konkurs. Stanie się to w najbliższych tygodniach. Będzie skierowany nie tylko do absolwentów UwB, a wyłoniona w nim osoba będzie zrekrutowana do funkcjonującej na naszej uczelni Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych. Zależy mi na kimś, kto dobrze rokuje, tak by można było od niego wymagać pracy naukowej na wysokim poziomie i terminowego zakończenia prac. Doktorant zyska nie tylko możliwość udziału w ciekawych badaniach w doświadczonym zespole, ale też ma zagwarantowane w projekcie stypendium – zachęca prof. Marek Konarzewski.

 Jak informuje naukowiec, pierwszymi efektami projektu zatytułowanego „Popielica szara: nowy model zwierzęcy w badaniach kosztów rozrodu”, realizatorzy będą mogli się pochwalić za mniej więcej 2 lata.