Un semplice volo Mill per lo Studio del Tethered Volo in Insetti
Summary
Flight in insects is influenced by a number of factors and the propensity to disperse is an important variable in understanding insect ecology and biological control strategies. We describe the construction and use of a simple, relatively inexpensive, and flexible flight mill for measuring parameters of tethered flight in insects.
Abstract
Flight in insects can be long-range migratory flights, intermediate-range dispersal flights, or short-range host-seeking flights. Previous studies have shown that flight mills are valuable tools for the experimental study of insect flight behavior, allowing researchers to examine how factors such as age, host plants, or population source can influence an insects’ propensity to disperse. Flight mills allow researchers to measure components of flight such as speed and distance flown. Lack of detailed information about how to build such a device can make their construction appear to be prohibitively complex. We present a simple and relatively inexpensive flight mill for the study of tethered flight in insects. Experimental insects can be tethered with non-toxic adhesives and revolve around an axis by means of a very low friction magnetic bearing. The mill is designed for the study of flight in controlled conditions as it can be used inside an incubator or environmental chamber. The strongest points are the very simple electronic circuitry, the design that allows sixteen insects to fly simultaneously allowing the collection and analysis of a large number of samples in a short time and the potential to use the device in a very limited workspace. This design is extremely flexible, and we have adjusted the mill to accommodate different species of insects of various sizes.
Introduction
Sono state sviluppate diverse tecniche di laboratorio per lo studio del comportamento insetto volo 1,2. Queste vanno da semplici tethering statico 3,4 a sofisticati dispositivi che consentono una maggiore libertà di movimento per l'insetto tethered 5. Ad oggi camere di volo 6-9 rappresentano i dispositivi che consentano il più alto livello di libertà di volo in condizioni controllate. Questa tecnica presenta due grossi inconvenienti: è difficile da utilizzare per lo studio di grossi insetti e la procedura manuale di raccolta dei dati è molto tempo.
Mulini voli rappresentano una delle tecniche più comuni e convenienti per lo studio del volo degli insetti in condizioni di laboratorio 10-12. Questa tecnica è preferibile a tethering statica in quanto offre stimoli in movimento 13, ma si differenzia da un volo gratuito risposta comportamentale 14-16. Alcuni aspetti del comportamento in volo sul mulino e in natura sono similar 5,17 così, nonostante alcune limitazioni, mulini aerei rappresentano una valida opzione per indagare questioni riguardanti il verificarsi di particolari risposte comportamentali di volo, come è il caso di migratori tipo volo. Inoltre, i mulini di volo sono più facili da realizzare di gallerie del vento o delle camere di volo e la raccolta dei dati può essere facilmente automatizzato. Così, i ricercatori interessati nel comportamento volo spesso che mulini di volo sono la scelta migliore, ma devono essere consapevoli dei potenziali limitazioni al metodo. Qui, un disegno mulino volo flessibile e personalizzabile è presentato per i ricercatori che hanno scelto di utilizzare mulini di volo per studiare il comportamento di volo.
Diversi autori descrivono disegni mulino volo alternativo. In generale, la parte principale del sistema laminatoio volo, cioè, il braccio del laminatoio basculante, è abbastanza semplice da realizzare. Meno semplice è la parte elettronica del sistema laminatoio volo, che consente la registrazione dei dati. Trattare con ELprogettazione di circuiti ectronic può essere impegnativo, soprattutto per l'entomologo o ecologista comportamentale privo di conoscenze di base di elettronica. Alcuni autori descrivono un complicato o di componente circuito elettronico data nel loro disegno mulino volo 18-21, o la descrizione della parte elettronica del mulino volo è mancante 22,23. Altri disegni descrivono actographs meccanicamente complicati, che sono abbastanza complicate da realizzare, ma può aiutare gli investigatori a intraprendere più complesse osservazioni comportamentali 5.
In questo documento un disegno per un semplice da costruire, mulino volo relativamente poco costoso per lo studio di volo legato negli insetti è descritto. Insieme con il componente elettronico estremamente semplice, il disegno ha una serie di vantaggi. Il mulino volo è progettato per essere utilizzato negli spazi ridotti tipicamente disponibili in laboratorio standard di insetto ecologia. La struttura è realizzata in acrilico trasparente plastic modo che una singola sorgente di luce può raggiungere uniformemente ogni individuo in camere separate del mulino. Data la trasparenza del materiale e le dimensioni ridotte, il mulino volo può essere utilizzato in un incubatore per condizioni di luce e temperatura standardizzati. Infine, l'intera struttura può essere montato e smontato con facilità e, una volta smontato, può essere conservato in un piccolo spazio. Un altro vantaggio per il disegno della struttura è che il mulino volo può essere modificato per consentire lo studio di insetti di dimensioni diverse e con diverse distanze rivoluzione. Questo mulino volo è stato usato per raccogliere i dati sugli insetti tanto diversi per forma e dimensioni come bug euforbia, Oncopeltus fasciatus 24, bug kudzu, Megacopta cribraria, e coleotteri, seppellendo vespilloides Nicrophorus. Il design mulino volo consente anche per alta through-put richiesto per studi che richiedono campioni di grandi dimensioni. I dati possono essere raccolti con 8 canali simultanei per ognuno dei data logger used modo che un elevato numero di individui può essere analizzato e contemporaneamente un gran numero di campioni può essere maneggiati giorno. Nessun software costoso è necessaria per registrare e visualizzare i dati e lo script scritta su misura per l'analisi dei dati può essere modificato secondo le specifiche esigenze del disegno sperimentale. Risposta volo è molto variabile nelle diverse specie di insetti. Quindi, prima di effettuare un esperimento completo mulino volo, sono raccomandati test preliminari sulla risposta di volo del modello dell'insetto focale. Questi forniranno una comprensione della portata della variazione comportamentale in risposta volo, che sarà utilizzato per affinare aspetti dell'analisi volo come tempo di registrazione o gamma di velocità di volo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un design mulino volo accessibile, flessibile e regolabile.
Comportamento volo degli insetti è di interesse per una vasta gamma di scienziati, da coloro che sono interessati il comportamento di base di insetti in ambienti variabili a specialisti di biocontrollo che hanno bisogno di capire come le condizioni influenzano la propensione di una specie parassita per disperdere. Comportamento in volo può essere studiato con vari metodi che vanno dalla 'tapis roulant' di volo e gallerie del vento che le condizioni di campo approssimativi per statica dispositivi volo tethered. Mulini di volo legati, come quello qui presentato, sono limitate in quanto alcuni aspetti del volo, come i cambiamenti di altitudine, non può essere misurato 14. Tuttavia, mulini voli frenati permettono insetti di volare senza interruzioni e quindi permettono ai ricercatori di quantificare i parametri come la velocità, la distanza e la periodicità di volo e di correlare questi parametri con le condizioni ambientali, la fisiologia, e morphology.
Il mulino volo presentato qui è stato progettato per permettere ai ricercatori senza conoscenze specifiche di elettronica per costruire e utilizzare un mulino volo legato al fine di studiare il comportamento in volo degli insetti. Un vantaggio di questo disegno è che il costo complessivo del mulino volo è basso rispetto ad altri disegni. Il costo complessivo può essere mantenuta ben al di sotto di 300 dollari USA. Le lastre acriliche di plastica sono la voce più costosa. Il secondo vantaggio è che il mulino volo è adattabile per gli spazi di lavoro limitati condizioni controllate disponibili in molti laboratori, al contrario di una galleria del vento specializzata. L'utilizzo di spessi strati di plastica acrilico trasparente da 3 mm significa che la struttura sia trasparente, per consentire una facile l'osservazione degli insetti, e anche il peso leggero, permettendo al mulino volo da spostare nella posizione appropriata per le prove di volo. La configurazione impilata delle cellule mulino volo massimizza il numero di campioni eseguito mentre minimizzando il piedestampa del dispositivo. Inoltre, il dispositivo può essere facilmente smontata. Inoltre, il mulino volo è stato progettato per consentire un gran numero di individui da campionare in modo relativamente semplice. Ogni mulino volo contiene 8 celle, consentendo ai ricercatori di registrare l'attività di volo di più individui contemporaneamente. Collegamento insetti indirettamente al braccio girevole tramite un perno insetto permette singoli insetti da collocare e rimossi dal mulino volo rapidamente. Infine, l'elettronica di registrazione dei dati è semplice e facile da usare, con software liberamente disponibili per l'analisi dei dati. Una volta assemblato, il mulino volo utilizza sensori a infrarossi semplice per registrare l'attività di volo. Il passaggio della bandiera lamina all'estremità del braccio attraverso il raggio a infrarossi permette ogni giro del braccio da registrare. Il numero di giri consente di dati come la velocità, la distanza percorsa, il tempo totale di volo e del ritmo di volo da registrare come input in un data-logger.
Il mulino voloè in grado di essere adattato per un certo numero di diversi tipi di insetti. L'uso di tubi in acciaio ipodermico per il braccio oscillante è più efficace rispetto ad altre opzioni, come bastoni di legno o di cannucce perché, anche se più pesante, la resistenza prodotto viene ridotto dal diametro stretto, permettendo anche piccoli insetti siano volo-test. Recentemente, piccoli pezzi di fibra ottica sono stati utilizzati in un mulino volo per piccoli insetti 25. La fine piegata del braccio può essere incollato all'armatura a diversi angoli rispetto all'asse del supporto per posizionare l'insetto sperimentale nel suo orientamento naturale volo. Nel disegno presentato, in cui il raggio è di 10 cm di lunghezza, l'intera distanza percorsa in un giro è 62,8 cm. Rimozione della parete verticale centrale consentirà una configurazione alternativa del mulino volo in cui il raggio braccio può essere raddoppiato in lunghezza per ospitare grandi insetti e rivoluzione distanze fino a 1,20 m. In questo caso, i magneti più forti sono raccoDED per accogliere e stabilizzare il braccio di più mulino.
Come si è detto tutto, il disegno mulino volo è flessibile e adattabile per le specie di insetti di interesse e ricercatori sono in grado di personalizzare per le loro particolari esigenze. Questo include non solo le esigenze fisiche dell'insetto, tra cui parametri quali la dimensione, il potere, la struttura della cuticola, ma anche differenze biologiche tra le specie. Un potenziale svantaggio di tutti i mulini di volo è che la mancanza degli insetti 'forze' di supporto tarsale di volare, forse per stanchezza. Anche se questo è vero in alcune specie, ad esempio, abbiamo osservato la risposta automatica volo con le nostre prove milkweed bug, non è vero per tutti gli insetti che abbiamo testato (ad esempio N. vespilloides). Tuttavia, anche con la risposta automatica, non abbiamo mai osservato insetti volanti ad esaurimento o la morte, in parte a causa del tempo di registrazione abbiamo scelto di ospitare la biologia degli insetti. Pertanto, è importante fareosservazioni preliminari sul insetto interessare comprendere il comportamento nel mulino volo al fine di ottimizzare la raccolta dei dati. Un ulteriore, problema ben noto con mulini di volo, è che l'inerzia può mantenere movimento anche dopo l'insetto ha smesso di volare attivamente. Lo script ha fornito i conti per i fraintendimenti a causa dell'inerzia del mulino volo, caratterizzata da rapidi diminuzione della velocità di volo e distanze tra i picchi crescenti. Lo script 'flight_analysis.py' scarta questi "falsi picchi" e costruisce un nuovo segnale per l'analisi. L'utente può scegliere la soglia di velocità per la correzione, come spiegato nelle note fornite nello script.
Una fonte di alimentazione 5 V è sufficiente per ottenere un segnale di tensione leggibile, tuttavia un alimentatore con tensione di uscita variabile può essere utilizzata come fonte di energia per consentire l'ingresso di alimentazione sia varia e quindi ottimizzare la tensione di funzionamento per ciascun sensore. Tale soluzione può anche contribuire a migliorare la qualità di visualizzazione osegnali di picco f nella interfaccia di registrazione del software. L'uscita del sensore è mostrato nell'interfaccia software come formato da una base e di picco tensioni in cui la tensione di base rappresenta la tensione più bassa di uscita dal sensore a riposo (quando il fascio IR non viene interrotto), mentre la tensione di picco è l'aumento di tensione di base che si verifica quando il raggio IR viene interrotta quando il braccio viaggia attraverso il fascio. Una tensione di ingresso 5 V fornisce un aumento di circa 100 mV, aumentando l'ingresso 7 V aumenta ascesa del picco a 300 mV consentendo una chiara discriminazione delle tensioni di base e di picco. La dimensione della basetta saldatura scelto determina il numero di cellule di volo possono essere ospitati. Per minimizzare gocce nel segnale di tensione durante la registrazione da più sensori, si raccomanda di posizionare le resistenze in file alternate lungo la basetta (vedere Figura 3C).
La normalizzazione del segnale personalizzabile e l'analisi dells script scritti per l'accesso aperto linguaggio di programmazione Python.
La standardizzazione e l'analisi del segnale di tensione sono condotti utilizzando script scritti personalizzato in Python, che è un uso generale e di alto livello linguaggio di programmazione libero, ampiamente utilizzato. L'utente finale può facilmente personalizzare gli script di lavorare con proprie impostazioni specificate. La personalizzazione si ottiene semplicemente cambiando i valori numerici o nomi di variabili. Note su come personalizzare i parametri possono essere trovati all'interno degli script stessi. I valori predefiniti negli script sono impostati per fornire un segnale di normalizzazione multa sintonizzare, ma l'utente può definire una soglia desiderata in funzione del valore della tensione media per ciascun canale. Nello script analisi volo, i flying_bouts funzione dalla linea 105 calcola la durata in secondi di più lungo e attacchi volanti più brevi, la percentuale di tempo trascorso in volo sopra il tempo di registrazione totale e il numero di volare incontro eventos di una gamma durata specificata. Gli intervalli possono essere modificati in base alle esigenze dell'utente sperimentali. Per fare ciò, tutti i valori numerici all'interno della funzione (inclusi quelli del nome della variabile, ad esempio nel "flight_300_900" variabile) devono essere cambiati al valore desiderato. Il numero di intervalli e la loro durata dipende semplicemente specifiche dell'utente. Lo script stamperà sullo schermo i risultati dell'analisi per ogni canale. Questi includono: velocità media di volo, tempo totale di volo, distanza percorsa, e attacchi breve Più lungo volo e la composizione di volo. Inoltre, lo script restituisce un file .dat * per ogni canale e lo salva nella cartella di output specificata dall'utente. Ciascun file * .DAT contiene due colonne: il primo rappresenta il tempo relativa dell'evento picco, il secondo è la variazione dettagliata velocità tra due eventi successivi picchi. Questo file può essere importato in Excel o R per produrre un grafico della variazione di velocità sutempo e visualizzare i modelli di attività di volo.
In conclusione, questi risultati dimostrano che questo disegno mulino volo può essere facilmente e correttamente implementato per raccogliere dati per studi comportamentali guardando volare modelli di attività in diversi modelli di insetti. Tali dati possono essere utilizzati per studiare variazioni individuali in schemi di movimento come dipendente per esempio sulla fisiologia e morfologia. Questo può offrire grandi intuizioni le caratteristiche fisiologiche e morfologiche sottostanti che determinano variazioni individuali in schemi di movimento come bottinatrici o attività migratoria, che colpisce in ultima analisi, la popolazione nel suo complesso. La variazione di velocità dettagliata nel tempo può essere utilizzato in combinazione con misurazioni fisiologiche e morfologiche dettagliate, offrendo uno strumento per studiare gli schemi di consumo di risorse o effetti di variazione nel corpo parte morfologia sull'attività volo.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Alfredo Attisano was supported by a European Social Fund studentship. James T. Murphy is supported by USDA-NIFA Award 2013-34103-21437.
Materials
| Data Logger | DATAQ Instruments, Ohio, USA | DI-149 | These particular data loggers were chosen because they can be easily connected via USB to a computer and come with free proprietary software (WinDaq/Lite, DATAQ Instruments, Ohio, USA) to visualize and record the sensor's output, increasing the affordability of the flight mill design. |
| Data Logger – potential alternative | A potential alternative to the DATAQ data loggers is an RS232 to USB adaptor, readily available through office or electronic supply stores. These should be able to read data directly from the serial port via the pyserial module. | ||
| Entomological pins | BioQuip | ||
| Hypodermic steel tubing 19 guage | Small Parts | B000FN5Q3I | Available through Amazon.com; other suppliers are available but be sure to purchase austenitic steel tubing to ensure the arm in non-magnetic |
| IR Sensors | Optek Technology Inc., Texas USA | OPB800W | |
| N42 neodymium magnets | Readily available; can be purchased through specialized magnet suppliers, hobby stores or Amazon | ||
| Plexiglass/perspex | Readily available at any hardware store | ||
| Polystyrene columns for support | Any polystyrene or styrofoam packing materials that might otherwise be discarded or recycled can be used to fashion the support columns for the flight mill. Otherwise, styrofoam insulation sheets are available at any hardware store. | ||
| Solderless Breadboard Power Supply Module | Arrela | MB102 | The 5V power unit, breadboard and solderless male-male jumper wires can be easily purchased as a kit. |
References
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